UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERIacuteA
INGENIERIacuteA QUIacuteMICA
T E S I S
ldquoEvaluacioacuten fiacutesica y quiacutemica del efecto de un campo magneacutetico en
la electrodeposicioacuten de Ni en acero bajo carbonordquo
Presenta
Geacutenesis Arely Campo Garciacutea
Asesor de Tesis
Dr Gonzalo Galicia Aguilar
Instituto de Ingenieriacutea de la Universidad Veracruzana
Co-asesor de Tesis
Dr Leandro Garciacutea Gonzaacutelez
Centro de Investigacioacuten en Micro y Nanotecnologiacutea
Co-asesor externo de Tesis
Dra Aida Liliana Medina Almazaacuten
Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares
Boca del Riacuteo Veracruz Junio 2015
ii
iii
Agradecimientos
Este proyecto es el resultado del esfuerzo conjunto de todos y cada uno de los que de una u otra
manera formaron parte de mi grupo de trabajo Por lo cual agradezco
Al Dr Gonzalo Galicia Aguilar por dirigir este trabajo de tesis por sus correcciones y
consejos Sobre todo por la confianza depositada en miacute daacutendome la oportunidad de trabajar con
eacutel en la presente Tesis de Licenciatura
A la Dra Aida Liliana Medina Almazaacuten por su ayuda durante mi estancia en el ININ sin
ella no hubiera sido posible la culminacioacuten de este proyecto Tambieacuten quiero agradecerle por las
valiosas sugerencias que trajeron consigo mejoras en la calidad del trabajo
Al Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) por toda la ayuda proporcionada
para la realizacioacuten de la parte experimental
Al Dr Leandro Garciacutea Gonzaacutelez por sus aportaciones aunque pequentildeas muy significativas
para la elaboracioacuten de este trabajo
A la maestra Ruth Patricia Aragoacuten Loacutepez por su constancia y dedicacioacuten al dar todos los
conocimientos que teniacutea para la idoacutenea redaccioacuten de esta Tesis
De igual manera se agradece el apoyo financiero por medio de los proyectos CA-218 del
ININ y CFE-Conacyt 154289
Finalmente a mis profesores de corrosioacuten por haberme dado las bases teoacutericas con las que
pude desarrollar este proyecto
iv
Dedicatorias
Sin lugar a dudas dedico este triunfo a MI MADRE por ser el pilar de mi vida por no dejarme
caer por ese apoyo y amor incondicional que me ha llevado a donde estoy ahora Por soportarme
en cada momento de estreacutes y frustracioacuten Gracias porque en cada reto presentado nunca dudoacute ni
un segundo de mi inteligencia y capacidad Este trabajo es tanto miacuteo como de ella
Tambieacuten dedico este proyecto a mi novio mi compantildeero inseparable de cada jornada
estudiantil Y sin olvidar a mis pocos amigos tanto carmelos como jarochos esos que he ido
cosechando escasamente durante mi estancia en este planeta les dedico este trabajo por hacer mis
diacuteas de estudiante maacutes divertidos
Finalmente a esos excelentes profesores que marcaron mi vida durante la primaria
secundaria y preparatoria Por transmitirme sus conocimientos y siempre tener buenos deseos hacia
mi persona
v
Iacutendice Iacutendice de Tablas ix
Iacutendice de Figuras x
Nomenclatura xiii
Resumen xiv
Abstract xiv
Introduccioacuten 1
Justificacioacuten 2
Objetivo General 3
Objetivos Especiacuteficos 3
Hipoacutetesis 4
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico 5
11 Antecedentes 5
12 Generalidades 7
121 El campo magneacutetico 7
122 Definicioacuten de corrosioacuten 8
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten 8
1231 Corrosioacuten seca 8
1232 Corrosioacuten huacutemeda 9
124 Tipos de ataque por corrosioacuten 10
125 Celdas electroquiacutemicas 11
1251 Celda galvaacutenica 12
1252 Celda electroliacutetica 13
13 Principios Electroquiacutemicos 14
131 Electrolitos 14
vi
1311 Tipos de electrolitos 14
132 Ley de Ohm 15
133 Leyes de Faraday 15
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary 16
14 Control de la corrosioacuten 17
141 Proteccioacuten catoacutedica 17
142 Inhibidores de corrosioacuten 18
143 Recubrimientos protectores 18
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos 19
15 Galvanoplastia 19
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten 19
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel 21
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel 21
1522 Condiciones de operacioacuten 23
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel 24
1524 Niquelado en diferentes metales base 25
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten 26
161 Dureza 26
1611 Ensayo de dureza Vickers 26
162 Rugosidad 27
1621 El perfiloacutemetro 27
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB) 28
1631 Componentes baacutesicos del MEB 29
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA) 29
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX) 30
vii
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X 31
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP) 32
1661 Procedimiento experimental 32
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE) 33
1671 Representaciones graacuteficas 34
1672 Ecuacioacuten de Brug 35
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental 36
21 Preparacioacuten superficial de muestras 36
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos 36
23 Preparacioacuten del electrolito 37
24 Obtencioacuten de recubrimientos 38
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos 39
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal 40
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica 40
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos 40
261 Dureza 40
262 Rugosidad 40
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido 41
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 41
265 Difraccioacuten de rayos X 42
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten 43
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos 43
311 Caacutelculo de masa depositada 43
312 Eficiencia en corriente 44
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal 45
viii
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica 48
34 Dureza Rugosidad y Espesor 50
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 51
36 Difraccioacuten de Rayos X 52
Conclusiones 58
Bibliografiacutea 59
Anexo 1 Caacutelculos 62
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten 63
ix
Iacutendice de Tablas
Tabla 11 Paraacutemetros termodinaacutemicos de las celdas electroquiacutemicas 11
Tabla 12 Serie galvaacutenica 12
Tabla 13 Ejemplos de electrolitos y no electrolitos 15
Tabla 21 Composicioacuten del bantildeo Watts 37
Tabla 22 Condiciones de operacioacuten 38
Tabla 31 Masa depositada en cada centiacutemetro cuadrado 44
Tabla 32 Valores de eficiencia 45
Tabla 33 Valores de icorr y Vcorr con y sin campo magneacutetico 46
Tabla 34 Valores de potencial de corrosioacuten 48
Tabla 35 Valores de dureza rugosidad y espesor para recubrimientos de Ni con y sin
influencia de campo magneacutetico
51
Tabla 36 Valores de capacitancia para recubrimientos de Ni con y sin presencia de
campo magneacutetico
51
x
Iacutendice de Figuras
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver 5
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes
(izq) Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico
aplicado
6
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas
(izq) Con campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
6
Figura 14 El campo magneacutetico 7
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca 9
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda 10
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten 11
Figura 18 Celda galvaacutenica 13
Figura 19 Celda electroliacutetica 14
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de
sacrificio de magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
18
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre 20
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante ensayo de dureza
27
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro 27
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y de
fotones por la interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
28
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB 29
Figura 116 Funcionamiento de un MFA 30
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X 31
Figura 118 Circuito equivalente simple 33
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist 34
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b)
Moacutedulo de impedancia
35
Figura 21 Decapado de muestras 36
xi
Figura 22 Determinacioacuten de los polos 37
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico 37
Figura 24 Rondelas de niacutequel 38
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con
imanes de Neodimio
39
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el
electrodo de referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo
(ET)
39
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad 41
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB 41
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni 43
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido 44
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal 46
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC 7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC 12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC 17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia
de campo magneacutetico
53
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni 54
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y
sin influencia de campo magneacutetico
55
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min
con y sin influencia de campo magneacutetico
56
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min
con y sin influencia de campo magneacutetico
57
xii
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de
electrodeposicioacuten
47
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min 49
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min 49
Graacutefica 34 EIE de 60degC a 17min 50
xiii
Nomenclatura
Ni ndash Niacutequel
T ndash Tesla
M ndash Metal
A ndash Ampere
Ec ndash Ecuacioacuten
ER ndash Electrodo de Referencia
ET ndash Electrodo de Trabajo
EA ndash Electrodo Auxiliar
Ecorr ndash Potencial de corrosioacuten
Vcorr ndash Velocidad de corrosioacuten
Rp ndash Resistencia a la polarizacioacuten
Rtc ndash Resistencia a la transferencia de carga
Rs ndash Resistencia del electrolito o de la solucioacuten
EIE ndash Espectroscopiacutea de impedancia electroquiacutemica
MFA ndash Microscopiacutea de fuerza atoacutemica
DRX ndash Difraccioacuten de rayos X
MEB ndash Microscopiacutea electroacutenica de barrido
SC ndash Sin campo magneacutetico
CM ndash Con campo magneacutetico
HV ndash Dureza Vickers
xiv
Resumen
En este estudio se obtuvieron recubrimientos de niacutequel con y sin presencia de campo magneacutetico a
60degC a 7 12 y 17 min sobre sustratos de acero al carbono AISI 1018 a partir de una solucioacuten tipo
Watts claacutesica Las propiedades de los recubrimientos se estudiaron mediante DRX MEB MFA
duroacutemetro y rugosiacutemetro tambieacuten se estudioacute el comportamiento electroquiacutemico de las peliacuteculas
mediante RP y EIE y ademaacutes se realizaron caacutelculos de capacitancia icorr velocidad de corrosioacuten
y espesor En general el campo magneacutetico tiene una influencia negativa en las propiedades fiacutesicas
y quiacutemicas de un electrodeposito de Ni en acero AISI 1018 Los detalles son discutidos en esta
investigacioacuten
Abstract
In this study nickel coatings were obtained with and without the presence of magnetic field at 60degC
for 7 12 and 17 min on substrates of AISI 1018 carbon steel from a classical type Watts solution
The properties of the coatings were studied by XRD SEM AFM hardness tester and roughness
tester the electrochemical behavior of the films was also studied through RP and EIE and also
capacitance calculations icorr corrosion rate and thickness were made In general the magnetic
field has a negative influence on the physical and chemical properties of an electrodeposited Ni
steel AISI 1018 The details are discussed in this research
1
Introduccioacuten
En los Reactores de agua en ebullicioacuten (BWR por sus siglas en ingleacutes) la radioacutelisis del agua
produce un medio altamente oxidante [1] que genera que los materiales estructurales presenten un
elevado potencial electroquiacutemico de corrosioacuten (PEC) cuando estaacuten en contacto con el agua en el
BWR Este PEC incrementa la propensioacuten a experimentar agrietamiento por corrosioacuten bajo
esfuerzos (SCC) [2] y agrietamiento por corrosioacuten intergranular bajo esfuerzos (IGSCC) [3] en los
materiales de los componentes internos tales como acero inoxidable aleaciones base niacutequel y las
zonas afectadas por el calor (HAZ) propias de un proceso de soldadura Ademaacutes en las condiciones
de alta temperatura del reactor BWR se forma una capa de oacutexido que puede ser hematita en
condiciones de alto oxiacutegeno o magnetita en condiciones de bajo oxiacutegeno Este segundo oacutexido es
un imaacuten por naturaleza por lo que este estudio contribuiraacute ademaacutes a discernir y en dado caso a
explicar si la presencia de un oacutexido magneacutetico o de otro que no lo sea tiene una influencia en la
deposicioacuten de recubrimientos alternos para mitigar el agrietamiento por corrosioacuten bajo esfuerzos
(SCC por sus siglas en ingleacutes) de los materiales de componentes internos de reactores BWR
El electrodepoacutesito de niacutequel sobre una superficie metaacutelica se hace con el fin de proteger las
piezas de la corrosioacuten pues posee buenas propiedades anticorrosivas y buena resistencia al
desgaste Los recubrimientos de niacutequel se utilizan en numerosos sectores industriales electroacutenica
componentes eleacutectricos petroquiacutemica automocioacuten etc [4] Por ello el presente trabajo muestra la
utilizacioacuten de un campo magneacutetico de 15 a 34 T (Valor fluctuante) para la obtencioacuten de
recubrimientos de Ni en acero un acero bajo carbono especiacuteficamente el AISI 1018 Las
propiedades de dichos recubrimientos se evaluaron mediante teacutecnicas electroquiacutemicas como Rp y
EIE para determinar las velocidades de corrosioacuten de las peliacuteculas De igual manera se estudiaron
los recubrimientos mediante DRX MEB y MFA Para finalmente establecer la influencia positiva
o negativa de dicho campo magneacutetico en los procesos de deposicioacuten electroliacutetica
2
Justificacioacuten
Para mitigar el SCC de los componentes internos de los BWR [5] en la actualidad se antildeaden sales
como precursores metaacutelicos por ejemplo Na2Pt(OH)6 que se transforman en partiacuteculas metaacutelicas
al entrar en contacto con el acero debido a la diferencia de potencial entre Fe y Pt [6] adhirieacutendose
al acero estructural por medio de procesos de precipitacioacuten Estas partiacuteculas catalizan las reacciones
de recombinacioacuten de especies oxidantes disminuyendo los procesos de corrosioacuten del acero sin
embargo los catalizadores basados en Pt tienen el inconveniente de costo elevado [7]
En este sentido una posible opcioacuten es la electrodeposicioacuten de un metal sobre la superficie
que se interesa proteger pero la efectividad de estos depoacutesitos depende de la preparacioacuten de la
superficie y de aspectos teacutecnicos ya estandarizados en normativas por ejemplo la Norma ISO
1458-1974 ldquoMetallic coatingsrdquo Si bien son de los mejores meacutetodos para proteger un metal auacuten
presentan diversas anomaliacuteas que generan superficies porosas falta de cohesioacuten y peliacuteculas
amorfas lo que conlleva a altos costos de produccioacuten debido a que se debe repetir el proceso y
contaminacioacuten ambiental a causa de los reactivos quiacutemicos usados para limpiar nuevamente la
superficie a recubrir
Debido a lo anterior este estudio tiene por objeto determinar si el campo magneacutetico influye
o no en las propiedades de adherencia rugosidad y eficiencia de un electrodepoacutesito de niacutequel
Siendo los mayores beneficiarios con este trabajo investigativo el ambiente la industria
galvanoplaacutestica y la comunidad electroquiacutemica
3
Objetivo General
Evaluar el efecto de un campo magneacutetico sobre las propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero bajo carbono especiacuteficamente en un acero AISI 1018
Objetivos Especiacuteficos
1- Elaborar electrodepoacutesitos de niacutequel en acero 1018 con y sin presencia de campo magneacutetico
2- Evaluar los electrodepoacutesitos mediante corriente directa y alterna
3- Analizar los electrodepoacutesitos por medio de pruebas fiacutesicas y quiacutemicas
4- Determinar el efecto de un campo magneacutetico en un electrodepoacutesito de niacutequel
4
Hipoacutetesis
El campo magneacutetico provoca una orientacioacuten en los iones yo moleacuteculas del electrolito destinado
a la electrodeposicioacuten con ello se modifican ciertas propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero 1018
5
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico
11 Antecedentes
El efecto de un campo magneacutetico sobre la orientacioacuten de las moleacuteculas durante un proceso de
formacioacuten de un producto ha sido muy poco estudiado En la industria se encuentran algunos casos
sin que haya reportes formales A continuacioacuten se discutiraacuten algunos de ellos
El ldquoFuel Energy Saverrdquo (Figura 11) es un producto de la compantildeiacutea mexicana ldquoEnergy
Saverrdquo se trata de un inductor de resonancia magneacutetica de alta potencia que genera frecuencias
especiacuteficas la cual fractura las cadenas de hidrocarburos alineando y haciendo todas las moleacuteculas
maacutes accesibles al oxiacutegeno lo que se traduce en una mejor combustioacuten con el consiguiente ahorro
de combustible y reduccioacuten de contaminacioacuten [8] Es aplicable para cualquier tipo de combustible
(gas natural gas LP dieacutesel combustoacuteleo gasoacuteleo) y puede ser usado en todo equipo de iacutendole
industrial (hornos calderas calentadores secadores estufas)
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver
Algunas empresas del ramo automotriz (por ejemplo Mercedes Benz) estaacuten empleando el
principio del FES para que por medio un campo magneacutetico se orienten las moleacuteculas del
combustible y de oxiacutegeno antes de que eacutestas sean consumidas La explicacioacuten a este fenoacutemeno fue
dada por Kita amp Kulish [9] que consiste en lo siguiente el combustible se consumiraacute a medida que
haya oxiacutegeno disponible Si en lugar de que el oxiacutegeno se alimente de manera ldquodesordenadardquo eacuteste
pudiera ser orientado antes de entrar a la caacutemara de combustioacuten se lograriacutea un mejor consumo de
combustible-oxiacutegeno lo cual se traduce en mayor potencia en el motor y un mejor
aprovechamiento del combustible es decir habriacutea menor cantidad de contaminantes (NOx y CO2)
en el escape
6
Otro ejemplo del uso de campos magneacuteticos se puede encontrar en la formacioacuten de
calcaacutereos en intercambiadores de calor La industria que sufre de formacioacuten de dichos productos
tambieacuten ha encontrado beneficios con el uso de un campo magneacutetico colocado en el depoacutesito de
agua y se observa que los productos calcaacutereos se desvanecen tal como se aprecia en la Figura 12
La explicacioacuten a este efecto se atribuye nuevamente a la reorientacioacuten de las moleacuteculas dando como
consecuencia una estructura amorfa en lugar de una cristalina caracteriacutestica de los calcaacutereos [10]
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes (izq)
Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico aplicado
Por el lado de las investigaciones cientiacuteficas se tiene el anaacutelisis del efecto de un campo
magneacutetico de 12 T en la electrodeposicioacuten y estructura de las aleaciones cobalto-tungsteno con
ello Zielinski [11] pudo establecer que la aplicacioacuten del campo magneacutetico cambioacute la composicioacuten
quiacutemica y la morfologiacutea de las aleaciones Co-W
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas (izq) Con
campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
7
De la misma manera Ferreira y Colnago [12] estudiaron la influencia del campo magneacutetico
de una resonancia magneacutetica nuclear (RMN) durante la reaccioacuten electroliacutetica del cobre Sus
resultados fueron exitosos pues la reaccioacuten en presencia de un campo magneacutetico de 023 T tuvo
un rendimiento del doble que la de la reaccioacuten en ausencia de dicho campo
Finalmente pero no menos importantes Calivar [13] con su creacioacuten de modelos de
conveccioacuten magneacutetica en electrodeposicioacuten de peliacuteculas delgadas de cobre y tambieacuten Ispas [14]
con su estudio del efecto de un campo magneacutetico de 05 T en la electrodeposicioacuten de la aleacioacuten
Ni-Fe Ambos llegaron a la misma conclusioacuten un campo magneacutetico provoca una conveccioacuten en el
fluido el cual provoca una contribucioacuten adicional de masa-transporte
12 Generalidades
121 El campo magneacutetico
Se trata de un campo que ejerce fuerzas (denominadas magneacuteticas) sobre los materiales Es una
magnitud vectorial pero no produce ninguacuten efecto sobre cargas en reposo (como siacute lo hace el
campo eleacutectrico doacutende las acelera a traveacutes de la fuerza eleacutectrica) Sin embargo el campo magneacutetico
siacute tiene influencia sobre cargas eleacutectricas en movimiento [15]
Por ejemplo en el estado soacutelido si una carga en movimiento atraviesa un campo magneacutetico
la misma sufre la accioacuten de una fuerza magneacutetica que no modifica la velocidad pero siacute la
trayectoria Cabe mencionar que en el estado liacutequido o en el estado gaseoso el efecto del campo
magneacutetico no estaacute bien definido
Figura 14 El campo magneacutetico
8
La unidad de campo magneacutetico en el Sistema Internacional es el tesla (T) Un tesla se define
como el campo magneacutetico que ejerce una fuerza de 1 N (newton) sobre una carga de 1 C (coulomb)
que se mueve a velocidad de 1 ms dentro del campo
122 Definicioacuten de corrosioacuten
Se denomina corrosioacuten al ataque destructivo de un material generalmente metaacutelico por reaccioacuten
quiacutemica o electroquiacutemica con su medio ambiente (atmoacutesfera suelo agua etc)
La reaccioacuten baacutesica de corrosioacuten es
M Mn+ + ne-
De acuerdo con ello tambieacuten es posible definir la corrosioacuten desde un punto de vista maacutes
electroquiacutemico como el traacutensito de un metal de su forma elemental a su forma ioacutenica o combinada
con una respectiva cesioacuten de electrones [16] Dicho de otra manera el metal a traveacutes de la
corrosioacuten retorna a su forma combinada formando oacutexidos sulfuros hidroacutexidos etc Pues asiacute es
como los metales se encuentran habitualmente en la naturaleza por tratarse de formas
termodinaacutemicamente maacutes estables
El proceso de corrosioacuten es natural y espontaacuteneo y cuanto mayor es la energiacutea gastada en la
obtencioacuten del metal a partir del mineral tanto maacutes es la tendencia del metal a regresar a su forma
basal es decir mucho maacutes favorecida termodinaacutemicamente estaacute la reaccioacuten de oxidacioacuten
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten
Tradicionalmente se establecen dos procesos baacutesicos de ataques corrosivos atendiendo al medio
en el que se producen
Corrosioacuten seca
Corrosioacuten huacutemeda
1231 Corrosioacuten seca
Tiene lugar cuando el material se encuentra sometido a la accioacuten de gases principalmente a
temperaturas elevadas por lo que no se tiene un electrolito condensado Este tipo de corrosioacuten es
la que se produce en calderas sobrecalentadores reactores etc en la parte que estaacute en contacto
con los productos de combustioacuten
9
En la corrosioacuten seca los oacutexidos que se forman son de caraacutecter ioacutenico (cationes metaacutelicos y
aniones de oacutexido regularmente distribuidos) La estructura cristalina formada presenta
normalmente defectos reticulares (deficiencias ioacutenicas) a traveacutes de los cuales se produce la
difusioacuten de iones
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca
1232 Corrosioacuten huacutemeda
Tiene lugar cuando el material se encuentra en medios acuosos (Figura 16) Se produce
normalmente a temperatura ambiente o no muy elevada Es la maacutes extendida por cuanto afecta a
un sinfiacuten de elementos en los que el material es usado en tanques tuberiacuteas intercambiadores
precalentadores carcasas estructuras buques etc
Todos los procesos de corrosioacuten involucran transferencia de carga (iones y electrones) en
particular en el caso de corrosioacuten huacutemeda eacutesta se da a traveacutes de soluciones acuosas (electrolitos)
las cuales son eleacutectricamente conductoras En general el proceso requiere de tres etapas
1) Oxidacioacuten Los aacutetomos metaacutelicos aumentan su valencia al ceder electrones convirtieacutendose
en iones positivos los cuales pasan al electrolito
2) Transporte de carga Los electrones son transferidos al caacutetodo
3) Reduccioacuten Reaccioacuten donde se consumen los electrones generados en la oxidacioacuten
Este tipo de corrosioacuten es netamente electroquiacutemico ya que es un proceso en el que se llevan
a cabo reacciones de oxidacioacuten y de reduccioacuten de ahiacute que se conozca coacutemo proceso REDOX Cabe
mencionar que se puede favorecer una reaccioacuten u otra en caso de inclinarse por la oxidacioacuten
10
entonces se da la corrosioacuten y si es la reduccioacuten se puede proteger al metal por ejemplo con
electrodepoacutesitos
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda
124 Tipos de ataque por corrosioacuten
Es importante sentildealar que la corrosioacuten huacutemeda presenta dos tipos de ataque corrosioacuten uniforme y
corrosioacuten localizada
a) Corrosioacuten uniforme homogeacutenea o generalizada El ataque se extiende de forma
homogeacutenea sobre toda la superficie metaacutelica y por tanto la peacuterdida de material es
aproximadamente la misma en todos los puntos A este tipo de ataque se le identifica por
crecimiento 2D debido a que se desarrolla preferentemente a lo largo de la superficie Por
consiguiente es relativamente faacutecil estimar la vida uacutetil de los materiales metaacutelicos que lo
sufren
b) Corrosioacuten localizada El ataque no se distribuye de forma homogeacutenea localizaacutendose por
el contrario en determinadas zonas de la superficie metaacutelica A este tipo de ataque se le
conoce por crecimiento 3D debido a que se desarrolla de manera local dando preferencia a
la profundidad maacutes que a la superficie Dentro de este tipo de corrosioacuten existe a su vez
otra clasificacioacuten que se menciona a continuacioacuten
11
a Corrosioacuten por picadura
b Corrosioacuten por hendidura
c Corrosioacuten galvaacutenica
d Corrosioacuten intergranular
e Corrosioacuten bajo tensioacuten
f Corrosioacuten cavitacioacuten
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten
125 Celdas electroquiacutemicas
En corrosioacuten una celda es un dispositivo en el cual se producen reacciones quiacutemicas de oxidacioacuten
y reduccioacuten El aparato se integra de las siguientes partes sustancia que contiene iones (electrolito)
dos electrodos (caacutetodo y aacutenodo) y una conexioacuten eleacutectrica entre ambos electrodos
Existen dos tipos de celdas las electroliacuteticas que requieren un voltaje externo (fuente de
poder) y las electroquiacutemicas o galvaacutenicas que solamente necesitan un instrumento para registrar
voltaje Por lo cual se dice que las primeras son no espontaacuteneas y las segundas espontaacuteneas
Termodinaacutemicamente una reaccioacuten espontaacutenea presenta una energiacutea libre de Gibbs negativa y la
no espontaacutenea positiva tal como se aprecia en la Tabla 11
12
1251 Celda galvaacutenica
Una celda galvaacutenica (Figura 18) es aquella en la cual la energiacutea quiacutemica es convertida en energiacutea
eleacutectrica por medio de una reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea Esto se debe a que un metal es maacutes activo
y otro maacutes noble aacutenodo y caacutetodo respectivamente seguacuten la serie galvaacutenica por lo que al ser
conectados eleacutectricamente producen un flujo de electrones desde el caacutetodo al aacutenodo Dicho flujo
genera un potencial eleacutectrico que puede ser medido experimentalmente
Los requisitos para que se produzca un proceso de corrosioacuten en una pila galvaacutenica son los
siguientes
1 Dos superficies con distinto potencial electroacutedico
a Una de ellas que constituye al aacutenodo de la reaccioacuten al ceder electrones sufriraacute la
corrosioacuten Es decir aquiacute se lleva a cabo la reaccioacuten de oxidacioacuten Es el polo
negativo
Mdeg Mne- + ne-
b La otra que constituye el caacutetodo ganaraacute los electrones cedidos por el aacutenodo En
esta zona ocurriraacute la reaccioacuten de reduccioacuten Es el polo positivo
Mne- + ne- Mdeg
13
2 Un electrolito conductor ioacutenico que contiene los elementos caracteriacutesticos del medio
corrosivo Es justo aquiacute en el seno de la solucioacuten donde ocurre el transporte de materia
3 Una conexioacuten eleacutectricamente conductora entre el aacutenodo y el caacutetodo para que sea posible
el transporte de carga
Figura 18 Celda galvaacutenica
1252 Celda electroliacutetica
Las celdas electroliacuteticas no son espontaacuteneas por lo que debe aplicarse externamente un potencial
eleacutectrico para que funcionen Al proveer dicha energiacutea se fuerza a que una corriente eleacutectrica pase
por la celda con el fin de generar reacciones quiacutemicas de oacutexido-reduccioacuten en la superficie de los
electrodos de dicha celda Uno de los procesos maacutes conocidos es el electrodepoacutesito de metales
como cobre niacutequel o zinc Es importante puntualizar que aquiacute el aacutenodo estaraacute cargado
positivamente y el caacutetodo negativamente contrario a lo sucedido en las celdas galvaacutenicas
Las partes que conforman a la celda electroliacutetica son las siguientes
1 Electrolito Al igual que en las celdas galvaacutenicas se necesita de un conductor ioacutenico
2 Aacutenodo En este tipo de celdas el aacutenodo posee el polo positivo y aquiacute se lleva a cabo la
oxidacioacuten de la especie electroquiacutemica
3 Caacutetodo Eacuteste es el polo negativo y en eacutel se produce la reduccioacuten de la especie
electroquiacutemica
14
4 Fuente de energiacutea Es quien aplica la energiacutea necesaria para poder invertir el sentido
natural de la corriente dando lugar a una reaccioacuten quiacutemica opuesta a la que se produce
espontaacuteneamente en la pila
Figura 19 Celda electroliacutetica
13 Principios Electroquiacutemicos
131 Electrolitos
Todos los solutos que se disuelven en agua se agrupan en dos categoriacuteas electrolitos y no
electrolitos Un electrolito es una sustancia que cuando se disuelve en agua forma una disolucioacuten
capaz de conducir la electricidad Un no electrolito por lo tanto no conduce la corriente eleacutectrica
cuando se disuelve en agua
1311 Tipos de electrolitos
Los electrolitos se clasifican en fuertes y deacutebiles Los primeros son sustancias que estaacuten casi
completamente disociadas en la solucioacuten e incluyen soacutelidos ioacutenicos y aacutecidos fuertes Los uacuteltimos
poseen enlaces tan fuertes que muy difiacutecilmente se ionizan en solucioacuten permaneciendo la mayor
parte en forma de moleacuteculas las cuales no tienen la capacidad de transportar carga eleacutectrica como
lo hacen los iones Es importante mencionar que los electrolitos por buenos conductores de la
electricidad que puedan ser siempre tendraacuten menor capacidad para conducir la electricidad que los
materiales soacutelidos [17]
15
132 Ley de Ohm
Una de las maacutes importantes caracteriacutesticas eleacutectricas de un material soacutelido es la facilidad con que
transmite una corriente eleacutectrica La ley de Ohm relaciona la corriente (I) o sea el paso de carga
por unidad de tiempo con el voltaje aplicado (V) de la manera siguiente
V = IR
Donde R es la resistencia del material a traveacutes del cual pasa la corriente Las unidades de
V I y R son respectivamente voltios (V) amperios (A) y ohmios (Ω)
133 Leyes de Faraday
En electroquiacutemica es de suma importancia poder determinar la velocidad a la que ocurren las
reacciones de oacutexido-reduccioacuten cuando una corriente atraviesa una interfase soacutelido-electrolito pues
esto trae como consecuencia un transporte de materia resultado de la peacuterdida (oxidacioacuten) o
ganancia (reduccioacuten) de masa en el electrodo de trabajo
Cabe mencionar que las caracteriacutesticas superficiales del electrodo y las interacciones del
electrolito en dicha superficie son las que determinan la velocidad de reaccioacuten de un proceso
electroquiacutemico [18] Sin embargo hay tantos factores que pueden afectar directamente la velocidad
de reaccioacuten que por ello las leyes de Faraday solo son utilizables cuando el proceso controlador es
la transferencia de carga
Con las investigaciones del fiacutesico britaacutenico Michael Faraday (1791-1867) se descubrieron
las relaciones cuantitativas entre la cantidad de electricidad que pasa a traveacutes de una solucioacuten y la
cantidad de materia separada o precipitada en los electrodos Es decir con dichas expresiones es
posible calcular el transporte de materia en la interfase soacutelido-electrolito [16]
Primera Ley La masa de un ion liberado o depositado en un electrodo es proporcional a
la cantidad de electricidad que pase a traveacutes de la solucioacuten
Ec 11
16
m = 119868119905119875119860
119899119865
Donde PA es el peso atoacutemico la I la corriente en Amperes t el tiempo que pasa dicha carga
en segundos n el nuacutemero de equivalentes involucrados y F la constante de Faraday
Segunda Ley Las cantidades de sustancias liberadas o depositadas por una cantidad de
electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes Aplica cuando una misma
cantidad de electricidad atraviesa distintos electrolitos es decir cuando el proceso se lleva a cabo
en serie
1198981
1198901=
1198982
1198902
Donde m1 y m2 son las masas depositadas y e1 y e2 son los equivalentes quiacutemicos El
equivalente quiacutemico es la relacioacuten entre el peso atoacutemico y el nuacutemero de oxidacioacuten del compuesto
en cuestioacuten
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary
La ecuacioacuten de Stern-Geary establece la relacioacuten entre la densidad de corriente de corrosioacuten (icorr)
es decir la velocidad de corrosioacuten con la resistencia a la polarizacioacuten [19]
119894119888119900119903119903 = 119861
119877119875
119861 = 119887119886119887119888
2303 (119887119886 + 119887119888)
Donde ba y bc son las pendientes de Tafel anoacutedica y catoacutedica respectivamente
La constante B en la ecuacioacuten sirve para presentar una relacioacuten existente entre las
pendientes de Tafel Para que la ecuacioacuten de Stern-Geary sea aplicable es imperativo que exista
comportamiento tafeliano en el sistema electroquiacutemico
Ec 12
Ec 13
Ec 14
Ec 15
17
14 Control de la corrosioacuten
Baacutesicamente todos los meacutetodos que existen para lograr controlar la corrosioacuten de los materiales
metaacutelicos son intentos para interferir con el mecanismo de corrosioacuten de tal manera que se pueda
hacer que eacuteste sea lo maacutes ineficiente posible Dado que para que exista un proceso de corrosioacuten
debe formarse una pila o celda de corrosioacuten ademaacutes de una diferencia de potencial entre los
electrodos o zonas anoacutedicas y catoacutedicas la eliminacioacuten de alguno de los componentes esenciales
de la mencionada pila podriacutea llegar a detener el proceso [20]
En la praacutectica existen tres maneras de lograr lo anterior y enseguida se explicaraacute en queacute
consiste cada una Sin embargo es muy importante sentildealar que ninguacuten meacutetodo elimina la
corrosioacuten sino que todos disminuyen la velocidad de la reaccioacuten de oxidacioacuten ya que el metal
siempre buscaraacute la condicioacuten de miacutenima energiacutea que es la formacioacuten de oacutexidos e hidroacutexidos
141 Proteccioacuten catoacutedica
Se debe recordar que toda estructura propensa a corroerse presenta zonas catoacutedicas y anoacutedicas
siendo estas uacuteltimas aquellas aacutereas donde se lleva a cabo la corrosioacuten Pero si todas las aacutereas
anoacutedicas se pudieran convertir en catoacutedicas la estructura completa funcionariacutea como caacutetodo y la
corrosioacuten se disminuiriacutea considerablemente [21] Ese es el mecanismo de accioacuten de la proteccioacuten
catoacutedica y se puede llevar a cabo de dos maneras tal como lo muestra la Figura 110
Por corriente impresa La proteccioacuten se logra aplicando una corriente externa a partir de
un rectificador que suministra corriente continua de bajo voltaje El terminal positivo de la
fuente de corriente se conecta a un aacutenodo auxiliar (grafito por ejemplo) localizado a una
determinada distancia de la estructura a proteger y el terminal negativo se conecta a la
estructura metaacutelica
Por aacutenodos de sacrificio El metal a proteger se conecta a otro metal menos noble seguacuten
la serie galvaacutenica que actuaraacute como aacutenodo en la celda de corrosioacuten En ese caso la
estructura actuaraacute como caacutetodo y quedaraacute protegida por el ldquosacrificiordquo del aacutenodo que se
corroeraacute
18
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de sacrificio de
magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
142 Inhibidores de corrosioacuten
Los inhibidores son sustancias orgaacutenicas o inorgaacutenicas que se agregan a la solucioacuten corrosiva con
el fin de disminuir su poder de ataque y asiacute reducir la velocidad de corrosioacuten Se puede decir que
un inhibidor es un calmante de la corrosioacuten pues como ya se mencionoacute con anterioridad ninguacuten
meacutetodo la elimina en su totalidad
El comportamiento de los inhibidores puede ser muchas veces peligroso ya que en funcioacuten
de la concentracioacuten pueden jugar tanto el papel de inhibidores como de estimuladores de la
corrosioacuten [21]
Los hay de dos tipos aunque a veces se utiliza una combinacioacuten de ambos
1) Inhibidores anoacutedicos Actuacutean formando un compuesto insoluble el cual precipita en los
lugares afectados por la peacuterdida de materia evitando la reaccioacuten anoacutedica y por lo tanto
inhibe la corrosioacuten Ejemplos hidroacutexido soacutedico carbonato silicato y borato de sodio
ciertos fosfatos cromato soacutedico nitrito y benzoato de sodio etc
2) Inhibidores catoacutedicos Actuacutean sobre toda la superficie formando una capa o peliacutecula de
alta resistencia eleacutectrica la cual funciona como una barrera para la corriente de corrosioacuten
Ejemplos sulfato de zinc sulfato de magnesio bicarbonato de calcio etc
143 Recubrimientos protectores
Los recubrimientos representan la primera liacutenea en la lucha contra la corrosioacuten Los recubrimientos
sea cual fuere su tipo no mejoran las caracteriacutesticas mecaacutenicas del elemento sin embargo
preservan su resistencia e integridad Sus objetivos pueden ser variados siendo el principal aislar
la estructura del medio agresivo con el que se encuentra en contacto (agua suelo y atmoacutesfera por
lo general) aunque tambieacuten cumplen en ocasiones fines cosmeacuteticos
19
En general se emplean bajo condiciones muy amplias como puede ser exposicioacuten
atmosfeacuterica inmersioacuten en agua estructuras enterradas elementos sometidos a quiacutemicos etc Los
recubrimientos representan la uacuteltima etapa de los procesos de fabricacioacuten de cualquier pieza
sistema o equipo siendo normalmente aplicados antes del ensamble [21] Existe por lo tanto una
amplia gama de materiales que pueden ser utilizados como recubrimientos de los metales
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos
Orgaacutenicos Los recubrimientos orgaacutenicos son poliacutemeros y resinas producidas en forma
natural o sinteacutetica generalmente formulados para aplicarse como liacutequidos que se secan o
endurecen como peliacuteculas delgadas en materiales del sustrato Por ejemplo las pinturas
Inorgaacutenicos Los recubrimientos inorgaacutenicos proporcionan acabados tersos y maacutes
duraderos los maacutes usados son el vidrio y los ceraacutemicos
Metaacutelicos Los recubrimientos metaacutelicos se aplican mediante capas finas que funcionen
como aacutenodos sacrificables que puedan ser corroiacutedos en lugar del metal subyacente Por
ejemplo Niquelado cromado galvanizado electroliacutetico inmersioacuten en caliente etc
15 Galvanoplastia
La galvanoplastia es una teacutecnica que proporciona un recubrimiento metaacutelico a una estructura que
deseamos proteger El elemento adherido modifica las propiedades superficiales del material sobre
el cual se depositan promoviendo caracteriacutesticas que son imposibles de obtener en el metal base
Es un meacutetodo que se fundamenta en la electroacutelisis para asiacute cubrir un metal base con un fina
capa de otro metal ya sea cobre niacutequel cromo oro plata con el fin de embellecerlo o impartirle
resistencia a la corrosioacuten
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten
La electrodeposicioacuten puede ser de un solo metal de capas de diferentes metales o de una aleacioacuten
(por ejemplo latoacuten) Los metales maacutes utilizados para electrodepoacutesito son en orden de importancia
zinc niacutequel estantildeo y cadmio [22] Tambieacuten es usual recubrir con oro plata y platino En el caso
de aleaciones es comuacuten la aplicacioacuten de Babbitts (aleaciones Pb-Sn) Es conveniente mencionar
que la mayoriacutea de los metales se pueden depositar por eacuteste procedimiento
20
En teacuterminos simples este proceso consiste en la inmersioacuten de la parte a recubrir en un
electrolito que contenga iones del metal a depositar para asiacute proceder al paso de una corriente
directa que permita el depoacutesito en la pieza (caacutetodo) donde los iones son repuestos por la accioacuten de
la propia corriente sobre el aacutenodo
Pero iquestcoacutemo sucede realmente el fenoacutemeno de la electrodeposicioacuten A continuacioacuten se
daraacute una explicacioacuten maacutes detallada sin embargo solo las reacciones en el caacutetodo seraacuten presentadas
ya que en general las reacciones en un aacutenodo soluble seraacuten las inversas de aquellas presentes en
el caacutetodo
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre
Suponga una solucioacuten de una sal metaacutelica tal como el sulfato de cobre (Figura 111) la sal
se disocia considerablemente formando cationes cargados positivamente y aniones cargados
negativamente como ya se ha mencionado anteriormente El agua presente se disocia un poco para
formar iones hidroacutegeno e hidroxilo Todo aacutecido sulfuacuterico presente se disocia tambieacuten en iones
hidroacutegeno y en iones ya sea HSO4- o ya sea SO4
-2 La mayor parte de estos iones estaacuten hidratados
o sea que se encuentran combinados con una o maacutes moleacuteculas de agua
Cuando se aplica un potencial a dos electrodos en una solucioacuten asiacute los cationes cargados
positivamente emigran hacia el caacutetodo y los aniones negativos se mueven hacia el aacutenodo En una
solucioacuten acidificada la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es relativamente alta y la de los iones
hidroxilo es muy baja En virtud de que los iones hidroacutegeno se mueven maacutes raacutepidamente que los
iones cobre la mayor parte de la corriente es llevada hacia el caacutetodo por los iones hidroacutegeno Sin
embargo es maacutes faacutecil descargar los iones cobre asiacute que praacutecticamente toda la corriente que se usa
en el caacutetodo es para depositar cobre
21
Es difiacutecil representar el proceso implicado en el depoacutesito real de un metal sobre el sustrato
El caacutetodo se encuentra cargado negativamente o sea tiene una concentracioacuten de electrones
relativamente alta los cuales siempre aprovechan la oportunidad de combinarse con iones cargados
positivamente para asiacute formar los aacutetomos metaacutelicos
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel
El niacutequel (Ni) es un elemento quiacutemico de nuacutemero atoacutemico 28 situado en el grupo 10 de la tabla
perioacutedica de los elementos Es un metal blanco plateado duro maleable y duacutectil que puede
presentar un intenso brillo
Como elemento aleante proporciona resistencia tenacidad y proteccioacuten contra la corrosioacuten
El uso principal del niacutequel como metal es en la electrodeposicioacuten de piezas ya que funge como
protector corrosivo y de desgaste ante otros materiales que suelen ser maacutes susceptibles
ambientalmente tal como el hierro o el acero ademaacutes de embellecer la superficie El niacutequel es un
metal muy poco activo y bajo casi todas las condiciones tiende a resistir manchas y oxidacioacuten [23]
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel
Normalmente los galvanizados de niacutequel se hacen a partir de soluciones aacutecidas variando en un
rango de pH de 15 a 60 Una excepcioacuten es el uso de un bantildeo alcalino amoniacal de niacutequel con un
pH cerca de 9 [22]
A pesar de las muchas foacutermulas de bantildeos de niacutequel casi todas ellas contienen tres componentes
esenciales
Sulfato de niacutequel Constituye la principal fuente de iones niacutequel ademaacutes de controlar los
liacutemites admisibles de densidad de corriente
Cloruro de niacutequel Suministra los iones cloruros necesarios para asegurar la corrosioacuten de
los aacutenodos de niacutequel Tambieacuten es una fuente secundaria de iones niacutequel
Aacutecido boacuterico Actuacutea como agente tampoacuten y para conservar la adhesioacuten del depoacutesito de
niacutequel
A continuacioacuten se enlistan las teacutecnicas principales que se utilizan en los depoacutesitos de niacutequel
[22] Cabe mencionar que las concentraciones exactas y las condiciones de operacioacuten pueden
modificarse pero los valores que se dan pueden servir de guiacutea
22
1 Niacutequel a bantildeo friacuteo diluido
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 09 120 16
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Fluoruro de amonio NH4F 057 65 87
2 Bantildeo caliente Tipo Watts
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 04 45 6
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
pH para operacioacuten a un alto pH 45-55 a un bajo pH 15-30
Temperatura 43deg C (110 degF)
Densidad de corriente 2-7 ampdm2 (20-65 ampft2)
3 Bantildeo de alto sulfato
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 05 70 9
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Sulfato de sodio Na2SO4 10 160 22
Aacutecido boacuterico H3BO3 025 M 15 2
pH 55
Temperatura 20-30 degC (68-86 degF)
Densidad de corriente 15-30 ampdm2 (14-28 ampft2)
4 Bantildeo brillante de niacutequel-cobalto
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
23
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 038 45 6
Sulfato de cobalto CoSO4 7H2O 011 15 2
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
Sulfato de amonio (NH4)2SO4 004 25 03
Formato de niacutequel Ni(COOH)2 067 50 67
Formaldehiacutedo HCHO (40) 25 03
pH 45
Temperatura 55 degC (131 degF)
Densidad de corriente 3 ampdm2 (28 ampft2)
1522 Condiciones de operacioacuten
El caraacutecter del depoacutesito depende de varios factores incluyendo la temperatura la densidad de
corriente el pH la distancia entre los electrodos y la agitacioacuten los cuales se ajustan para producir
recubrimientos gruesos o delgados mates o brillantes suaves o duros duacutectiles o fraacutegiles [22] Cabe
mencionar que los valores oacuteptimos para cada factor variacutean de acuerdo con el tipo del bantildeo por lo
que no es posible dar cifras determinadas En su lugar se indicaraacuten los efectos sobre el caraacutecter de
los depoacutesitos obtenidos
pH La eleccioacuten de pH es regida por el tipo de bantildeo y las propiedades que se desean en el
depoacutesito En general en bantildeos de niacutequel opaco un aumento en el pH especialmente arriba de 50
produce depoacutesitos maacutes duros probablemente como resultado de mayor precipitacioacuten
Reciacuteprocamente los depoacutesitos de bajo pH seraacuten probablemente suaves
Temperatura La ventaja de aplicar altas temperaturas depende de varios factores
incluyendo (1) maacutes elevada solubilidad del niacutequel u otras sales (2) mayor conductividad (3)
reducida polarizacioacuten en ambos electrodos y (4) aumento de eficiencia en el aacutenodo y caacutetodo
Aunque de igual manera se pueden presentar ciertas desventajas (1) aumento de la tendencia a la
precipitacioacuten de impurezas (2) la propensioacuten a coagular agentes abrillantadores (3) vaporizacioacuten
excesiva (4) produccioacuten de depoacutesitos pasivos y (5) menor potencia de depoacutesito
Densidad de corriente La densidad de corriente es dependiente de los dos factores
anteriores A temperatura ambiente especialmente en bantildeos diluidos se emplean densidades de
24
corriente de 5 a 20 Aft2 (05 a 2 Adm2) En bantildeos maacutes fuertes y calientes se pueden usar
densidades de corriente hasta de 60 Aft2 (6 Adm2)
Agitacioacuten El efecto de la agitacioacuten equivale a un aumento en concentracioacuten de niacutequel y a
una disminucioacuten de pH lo que permite densidades de corriente maacutes altas Una desventaja de la
agitacioacuten raacutepida en los bantildeos de niacutequel es que con el movimiento suben a la superficie las partiacuteculas
suspendidas lo que trae consigo un depoacutesito aacutespero
Distancia entre electrodos La elaboracioacuten de recubrimientos con espesor uniforme
depende tambieacuten de la propia disposicioacuten y espacio adecuado de las piezas de trabajo aacutenodo y
caacutetodo Por lo que entre maacutes cercana esteacute la superficie a recubrir del aacutenodo mayor seraacute el espesor
del depoacutesito obtenido
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel
Las propiedades fiacutesicas del niacutequel electrodepositado son de especial intereacutes porque hay una gran
variedad de propiedades el control de las cuales de las cuales crea aplicaciones especiales del
niacutequel por ejemplo en electroformacioacuten Las siguientes propiedades son para depoacutesitos opacos de
niacutequel [22]
Dureza Esta variacutea en los diferentes depoacutesitos de niacutequel cerca de 130 a 430 HB En el bantildeo
tipo Watts se obtuvo un miacutenimo de dureza a un pH de 3 obtenieacutendose depoacutesitos maacutes duros abajo
y arriba de este liacutemite Los depoacutesitos maacutes duros se obtienen con un alto pH
Resistencia a la tensioacuten En general la resistencia a la tensioacuten es casi paralela a la dureza
y va de 56 000 a 160 000 lbplg2 (3 900 a 11 000 kgcm2)
Ductilidad La ductilidad medida por elongacioacuten es casi inversamente proporcional a la
dureza y a la resistencia a la tensioacuten
Resistividad eleacutectrica La resistividad eleacutectrica del niacutequel depositado es influenciada por el
contenido de inclusiones como el oacutexido y el cobalto Se presenta un poco en un pH 3
Composicioacuten Los depoacutesitos de niacutequel contienen oxiacutegeno e hidroacutegeno probablemente
presentes como compuestos baacutesicos del niacutequel como Ni(OH)2 El cloruro puede estar presente en
los depoacutesitos de todos los bantildeos de cloruro Estas inclusiones indudablemente tienen influencia en
la dureza y resistencia a la tensioacuten
25
1524 Niquelado en diferentes metales base
Debido a que el niacutequel es el maacutes extensamente aplicado a numerosos metales base solo algunos
ciclos empleados seraacuten considerados en esta seccioacuten [22]
Niquelado en acero El niacutequel puede ser depositado directamente sobre acero o sobre una
capa delgada o gruesa de cobre Debido a numerosas pruebas de corrosioacuten y a lo demostrado por
la experiencia se sabe que las capas de cobre ejercen menos proteccioacuten que una densidad igual de
niacutequel por lo tanto la tendencia actual es eliminar el cobre
Niquelado en hierro vaciado La dificultad de galvanizar sobre hierro vaciado estaacute
indudablemente asociada con la presencia de carbono liberado o grafito en el hierro Si eacuteste
permanece parcialmente embebido el niacutequel no se deposita tan faacutecilmente sobre el carboacuten o
carburos como en los cristales de hierro Por ello se utiliza una capa de cobre ya que mejora la
adhesioacuten del niacutequel al hierro vaciado La limpieza catoacutedica en caacuteustico fundido es algunas veces
efectiva y la saturacioacuten en aacutecido fluorhiacutedrico puede ayudar Por buena que sea la adhesioacuten del
niacutequel al hierro vaciado no es tan buena como en el acero
Niquelado en cobre y latoacuten La praacutectica maacutes comuacuten es aplicar el niacutequel directamente al
cobre o latoacuten seguido por la acostumbrada capa de cromo Ha sido demostrado concluyentemente
que las capas de cromo aplicadas directamente al latoacuten dan menos proteccioacuten contra la corrosioacuten
que cuando se aplica primero una capa de niacutequel
Niquelado en zinc y vaciados con base de zinc Se ha confirmado por muchas pruebas que
las capas adherentes de niacutequel pueden ser aplicadas directamente a troquelados de zinc usando un
alto-sulfato en bantildeo de niacutequel El principio de este bantildeo es la adicioacuten de suficiente sulfato de sodio
para reducir la actividad del ion niacutequel y aumentar la polarizacioacuten del caacutetodo De este modo se
evita que el zinc pase a la solucioacuten precipitando niacutequel oscuro Este bantildeo de alto sulfato de niacutequel
tiene una excelente conductividad y potencia de depoacutesito
Niquelado en magnesio El galvanizado de niacutequel u otros metales en magnesio o sus
aleaciones se hace difiacutecilmente por la alta actividad del magnesio y su consecuente tendencia a
depositar niacutequel u otros metales pesados por inmersioacuten Debido a la gran diferencia de potenciales
de solucioacuten del magnesio y de metales como el cobre niacutequel o cromo eacutestos pueden galvanizarse
sobre el magnesio cuya corrosioacuten se acelera raacutepidamente si hay algunos poros o discontinuidad en
26
los recubrimientos Mientas no se pueda demostrar que pueden producirse y mantenerse
recubrimientos electroliacuteticos casi impenetrables en el magnesio y sus aleaciones es de dudarse que
estos galvanizados puedan tener una aplicacioacuten industrial
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de materiales consiste en la obtencioacuten de informacioacuten acerca de un material
bajo estudio (composicioacuten estructura morfologiacutea y otras propiedades) a partir de la interaccioacuten de
una sentildeal (eleacutectrica luminosa teacutermica etc) con una porcioacuten de dicho material Por tanto toda
caracterizacioacuten de un material supone una agresioacuten es decir una perturbacioacuten del mismo El
estudio de la respuesta del material a dicha perturbacioacuten tiene la finalidad de dar a conocer las
propiedades del mismo para asiacute predecir si seraacute uacutetil o no en una determinada aplicacioacuten
Se puede asegurar que la ayuda de las nuevas teacutecnicas de caracterizacioacuten y anaacutelisis ha sido
indispensable en el disentildeo siacutentesis y procesado de estos materiales permitiendo un cuidadoso
control de sus propiedades e incluso en muchos casos con la posibilidad de fijar de antemano
alguna de sus caracteriacutesticas
161 Dureza
La dureza es una propiedad de los materiales soacutelidos y se define como la resistencia que oponen
estos materiales a ser deformados Una buena dureza significa generalmente que el material es
resistente al rayado y al desgaste [23]
1611 Ensayo de dureza Vickers
Este ensayo usa un indentador en forma de piraacutemide hecho de diamante Figura 112 (a) El ensayo
se basa en el principio de que las impresiones hechas por este indentador tienen geometriacuteas
similares independientemente de la carga aplicada En consecuencia se aplican varias cargas
dependiendo de la dureza del material a ensayar [24] la dureza Vickers se determina entonces con
la foacutermula
HV = 1854 119865
1198632
Donde F es la fuerza aplicada en kgf y D es la diagonal de la impresioacuten hecha por el
indentador en mm El ensayo Vickers puede usarse para todos los metales porque cuenta con una
de las escalas maacutes amplias entre los ensayos de dureza
Ec 16
27
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante un ensayo de dureza
162 Rugosidad
El acabado superficial de los cuerpos puede presentar errores de forma macro y micro geomeacutetricos
auacuten las superficies consideradas como ldquomuy lisasrdquo muestran cuando son analizadas a escala
sumamente fina una compleja diversidad de particularidades geomeacutetricas [25] Por lo tanto la
rugosidad es el conjunto de irregularidades en una superficie real
1621 El perfiloacutemetro
El rugosiacutemetro o perfiloacutemetro es por mucho el equipo maacutes utilizado en la industria para medir la
rugosidad de componentes comunes El principio de operacioacuten de este equipo es simple una fina
punta en contacto con la superficie a analizar realiza un barrido controlado en liacutenea recta y las
variaciones de alturas se convierten en sentildeales eleacutectricas que son debidamente registradas
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro
28
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB)
En el microscopio electroacutenico de barrido se construyen imaacutegenes aprovechando la emisioacuten de
electrones (electrones secundarios) de una muestra cuando sobre ella incide un haz enfocado de
electrones de alta energiacutea La muestra tambieacuten emite rayos X los cuales pueden ser analizados para
obtener informacioacuten sobre la composicioacuten del material [26] Cada sentildeal del MEB es captada con
un detector apropiado
Los electrones emitidos por la interaccioacuten del haz incidente y la muestra son colectados por
los correspondientes detectores para producir una sentildeal eleacutectrica la cual se utiliza para modular la
intensidad de un haz de electrones que incide en la pantalla de un tubo de rayos catoacutedicos (TRC)
de manera que mediante un barrido sincronizado del haz incidente en la superficie de una muestra
y del haz incidente en la pantalla del TRC se produce la imagen de la muestra [26]
La emisioacuten de electrones y de rayos X de la muestra se origina por las colisiones de
electrones del haz incidente con electrones de los aacutetomos del material de la probeta tal como se
puede observar en la Figura 114
Algunas colisiones son elaacutesticas de modo que algunos electrones del haz primario pueden
salir de la superficie de la muestra sin una significativa peacuterdida de energiacutea estos son los llamados
electrones reflejados Pero la mayoriacutea de las colisiones son inelaacutesticas y entre otros efectos
originan emisioacuten de electrones de baja energiacutea conocidos como electrones secundarios
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y fotones por la
interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
29
1631 Componentes baacutesicos del MEB
Cantildeoacuten de electrones que produce un haz con energiacutea entre 5 keV y 30 keV con un diaacutemetro
efectivo entre 01 microm y 10 microm
Lentes electromagneacuteticas condensadoras que reducen el diaacutemetro del haz de manera que en
la superficie de la muestra se tiene un diaacutemetro apropiado al aumento de la imagen
Apertura final la cual controla la divergencia del haz incidente en la muestra
Una lente objetivo que enfoca el haz en la superficie de la muestra
Sistema de barrido el cual permite la construccioacuten de la imagen en la pantalla del TRC por
el barrido del haz en la superficie de la muestra
Detectores de sentildeales emitidas por la muestra (Electrones secundarios electrones
reflejados rayos X etc)
Tubo de rayos catoacutedicos para presentacioacuten de la imagen
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica es una teacutecnica relativamente nueva que permite obtener
imaacutegenes de superficies a escala molecular [27] El microscopio consta esencialmente de una punta
de Si3N4 montada sobre un fleje Con esta punta se realiza un barrido sobre la superficie de la
muestra la cual se situacutea sobre un escaacutener piezoeleacutectrico El funcionamiento del microscopio se
basa en el control por un ordenador de la fuerza ejercida por la punta durante el barrido (Ver Figura
30
116) En el modo denominado de contacto la fuerza punta-muestra se mantiene constante
mediante un sistema de retroalimentacioacuten basado en los siguientes puntos
1) La variacioacuten de la fuerza punta-muestra se traduce en movimientos verticales y horizontales
del fleje que hacen variar la direccioacuten de un rayo laacuteser incidente sobre eacutel Estos cambios en
la direccioacuten del laacuteser son recogidos por un fotodetector y analizados por un ordenador
2) Los aumentos o disminuciones de fuerza son compensados por el ordenador que enviacutea una
sentildeal al piezoeleacutectrico para que acerque o aleje la muestra a la punta
3) Tanto las variaciones del haz luminoso como los movimientos controlados del
piezoeleacutectrico son convertidos por el ordenador en un mapa topograacutefico de la superficie
Figura 116 Funcionamiento de un MFA
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX)
El meacutetodo de difraccioacuten por rayos X es una herramienta poderosa para investigar la disposicioacuten
ordenada de los aacutetomos o moleacuteculas por medio de la interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica
para producir efectos de interferencia con estructuras comparables en tamantildeo a la longitud de onda
de la radiacioacuten
31
Al igual que con los tipos de radiacioacuten electromagneacutetica la interaccioacuten entre el vector
eleacutectrico de la radiacioacuten X y los electrones de la materia que atraviesa da lugar a una dispersioacuten
Cuando los rayos X son dispersados por el entorno ordenado de un cristal tienen lugar
interferencias (constructivas y destructivas) entre los rayos dispersados ya que las distancias entre
los centros de dispersioacuten son del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la radiacioacuten
La teacutecnica de difraccioacuten de rayos X aplicada al estudio de materiales permite obtener
informacioacuten importante sobre distintos aspectos de los mismos Para recubrimientos [28] eacutesta
teacutecnica es imprescindible para determinar
Tipo de estructura (FCC HCP etc)
Esfuerzos residuales
Microdeformaciones
Tamantildeo de grano
Fases presentes
Proporcioacuten relativa de las fases
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X
El fenoacutemeno de difraccioacuten es la interferencia entre las ondas que se genera cuando hay un objeto
en su trayecto Para comprender mejor esto supoacutengase dos planos reticulares 1 y 2 tal como en la
Figura 117 de un cristal con una distancia d entre ambos converge un haz de rayos X procedente
de A con un aacutengulo de incidencia θ este haz en parte se refleja sobre el primer plano hacia F y
en parte atraviesa y se refleja sobre el plano 2 hacia F3 y asiacute sucesivamente sobre los otros planos
[29]
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X
32
En el punto D se sobrepone un rayo reflejado por el primer plano reticular y el otro del
segundo cuya diferencia de camino despueacutes de la reflexioacuten es CD-ED Si tal diferencia es un
muacuteltiplo entero n de la longitud de onda λ de la radiacioacuten X los dos rayos en D estaraacuten en
concordancia de fase y sobreponieacutendose aumentaraacute su intensidad
Por el contrario si estaacuten en discordancia tenderaacuten a anularse Para que se verifique esta
condicioacuten es necesario que las magnitudes λ d θ y n satisfagan la relacioacuten de la Ley de Bragg
nλ = 2 d sen θ
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP)
La teacutecnica electroquiacutemica llamada Resistencia a la Polarizacioacuten es el resultado de la aproximacioacuten
de bajo campo a la ecuacioacuten de Butler-Volmer y por este motivo se debe aplicar solamente cuando
exista control activacional o por transferencia de carga
Los materiales que son susceptibles de ser evaluados mediante la aplicacioacuten de la RP deben
estar inmersos en electrolitos conductores es decir que la resistividad de las soluciones no sea alta
y deben encontrarse libres de peliacuteculas resistivas
1661 Procedimiento experimental
Para realizar un estudio experimental de Resistencia a la Polarizacioacuten lo mejor es acudir a la norma
ASTM G 59-91 [32] En general los pasos a seguir de acuerdo a la norma son los siguientes
Usar un puente salino que acerque el electrodo de referencia a 2 o 3 mm de la superficie
del electrodo de trabajo
Registrar el potencial de corrosioacuten despueacutes de 5 minutos
Aplicar un potencial 30 mV maacutes negativo que el potencial registrado
Un minuto despueacutes de que se aplique el potencial se inicia un barrido con direccioacuten anoacutedica
a 06 Vh (10 mVmin) registrando el potencial y la corriente continuamente
Terminar el barrido cuando se alcanza un valor de 30 mV positivo que el potencial de
corrosioacuten
Graficar la curva de polarizacioacuten
Determinar graacuteficamente la resistencia a la polarizacioacuten como la tangente a la curva en el
origen de la graacutefica
Ec 17
33
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE)
La teacutecnica de Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica es un meacutetodo electroquiacutemico
utilizado en estudios de corrosioacuten el cual se basa en el uso de una sentildeal de corriente alterna (CA)
que es aplicada a un electrodo (metal en corrosioacuten) y determinando la respuesta correspondiente
En el procedimiento experimental comuacutenmente utilizado se aplica una sentildeal sinusoidal de
voltaje y se mide su respuesta en corriente a diferentes frecuencias aunque es posible aplicar una
pequentildea cantidad de corriente y medir la respuesta del potencial El voltaje la corriente y la
frecuencia son relacionadas por la impedancia en una forma anaacuteloga a la ley de Ohm
V = IZ
Donde Z es la impedancia del circuito A diferencia de la resistencia la impedancia de un
circuito puede depender de la frecuencia aplicada
Cuando se aplica una sentildeal de CA incluso en un sistema de corrosioacuten sencillo se comporta
de manera maacutes complicada que una sola resistencia Pues existe tambieacuten una capacitancia la de la
doble capa electroquiacutemica (Cdl) que es debida a la carga de las especies existentes en la interfase
metal-electrolito y que se encuentra presente en todos los sistemas corrosivos Ademaacutes estaacute la
resistencia de la solucioacuten (Rs) para que se le permita La combinacioacuten de estos tres componentes
proporciona un circuito equivalente simple para un metal que se corroe Dicho circuito es una
combinacioacuten de elementos eleacutectricos tales como resistores y capacitores lo que da la misma
respuesta a sentildeales eleacutectricas como el metal real que se corroe [30] El circuito simple descrito
anteriormente se muestra en la Figura 118
Figura 118 Circuito equivalente simple
Los espectros de impedancia se pueden utilizar para identificar y cuantificar las
capacitancias en el sistema y para separar diferentes resistencias por ejemplo la resistencia de la
solucioacuten y la resistencia a la polarizacioacuten A altas frecuencias la resistencia de la solucioacuten se puede
cuantificar A frecuencias maacutes bajas los diferentes tipos de procesos se producen en diferentes
Ec 18
34
escalas de tiempo (en diferentes frecuencias) y puede ser posible identificar los procesos de
difusioacuten o los fenoacutemenos de adsorcioacuten y desorcioacuten [3031]
1671 Representaciones graacuteficas
Solamente existen dos maneras de representar los valores experimentales de la espectroscopia de
impedancia electroquiacutemica
1 Diagramas de Nyquist Tipo de representacioacuten maacutes comuacuten que consiste en graficar los
valores de la impedancia real frente a los de la impedancia imaginaria Estos diagramas
permiten identificar la resistencia del electrolito la resistencia a la transferencia de carga y
la resistencia a la polarizacioacuten [3031] en la mayor parte de los casos La Figura 119
muestra un ejemplo de este tipo de diagramas
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist
2 Diagramas de Bode En este tipo de representaciones se pueden obtener dos diagramas el
moacutedulo de la impedancia y el aacutengulo de fase (Figura 120) Tambieacuten en funcioacuten de la parte
real o la imaginaria pero en escala logariacutetmica Ambos graacuteficos son particularmente uacutetiles
cuando existen constantes de tiempo con valores muy proacuteximos que no se pueden distinguir
en los diagramas de Nyquist
35
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b) Moacutedulo de
impedancia
1672 Ecuacioacuten de Brug
Como bien se sabe el objetivo de los experimentos de EIS es a menudo extraer la capacitancia de
las peliacuteculas (posiblemente como una funcioacuten del potencial aplicado) y por lo tanto para obtener
informacioacuten sobre las propiedades dieleacutectricassemi-conductoras de dichas peliacuteculas Sin embargo
en diversos sistemas la estimacioacuten de la capacitancia es difiacutecil debido a que un comportamiento
de elemento de fase constante (CPE) se observa en lugar de un comportamiento capacitivo
Brug [33] propuso una foacutermula (Ec 19) que relaciona la resistencia del electrolito (Re) y
la resistencia a la transferencia de carga (Rtc) donde es posible calcular la capacitancia contenida
en el CPE
119862 = 1198761
120572[119877119890minus1 + 119877119905119888minus1]1minus120572
120572
Donde C es la capacitancia Q es el factor de Brug Re es la resistencia del electrolito Rtc
es la resistencia a la transferencia de carga y α es la pendiente de la impedancia calculada a bajas
frecuencias
Ec 19
36
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental
21 Preparacioacuten superficial de muestras
A partir de una laacutemina de acero 1018 de 150 x 1 m se cortaron 48 placas de 10 x 2 cm cada una
con una cizalla ya que se necesitaba que cada muestra fuera perfectamente paralela para el proceso
de electrodeposicioacuten
Las placas de acero presentaban una capa de oacutexido por lo que se siguioacute la norma ASTM
G1 [34] para decapar cada muestra durante 10 minutos en HCl al 50 (Ver figura 21) para
posteriormente lavarse con agua potable y asiacute pasar al lijado con granulometriacutea 180 240 320 400
y 600 Seguido de un lavado con agua destilada para eliminar residuos de material removido y
finalizando con un bantildeo de acetona para retirar cualquier resto de humedad y grasa
Figura 21 Decapado de muestras
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos
Para los electrodepoacutesitos con influencia de un campo magneacutetico se utilizaron dos imanes de
neodimio sin embargo no teniacutean sentildealizacioacuten alguna para diferenciar sus polos ni se conociacutea el
valor del campo Entonces se utilizoacute una bruacutejula para determinar el norte y sur de cada imaacuten asiacute
como se aprecia en la Figura 22
37
Figura 22 Determinacioacuten de los polos
Y el campo magneacutetico se midioacute con un gausiacutemetro Marca RFL modelo 91 (Figura 23)
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico
23 Preparacioacuten del electrolito
Para el proceso de electrodeposicioacuten se empleoacute un bantildeo Watts estaacutendar [35] cuya composicioacuten se
presenta en la Tabla 21
38
Para la deposicioacuten electroliacutetica sin campo se preparoacute un litro de solucioacuten y para la que teniacutea
influencia de campo magneacutetico se hicieron dos litros
24 Obtencioacuten de recubrimientos
Para las electrodeposiciones se utilizoacute una fuente de poder marca Good Will Instrumets modelo
GPR-3510HD En cuya terminal negativa se conectoacute el caacutetodo (acero 1018) y en la positiva el
aacutenodo (niacutequel soacutelido Figura 24) Ambos electrodos se colocaron paralelamente cara con cara
Figura 24 Rondelas de niacutequel
Los electrodepoacutesitos de niacutequel sobre acero 1018 con y sin influencia de campo magneacutetico
se llevaron a cabo a voltaje constante siendo eacuteste de 4 V midiendo la corriente resultante al
finalizar el proceso las muestras se lavaron con agua destilada y se dejaron secar al ambiente Se
realizaron seis condiciones diferentes tal como lo muestra la Tabla 22
En el caso de los electrodepoacutesitos en presencia de campo magneacutetico se utilizaron dos
imanes de Neodimio (Valor fluctuante de 15 a 34 T) los cuales se instalaron en la cuba
electroliacutetica el polo norte cerca del aacutenodo y el polo sur del caacutetodo tal como lo muestra la Figura
25
39
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con imanes de
neodimio
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos
Las muestras electrodepositadas con y sin presencia de campo magneacutetico se fijaron a una celda
de acriacutelico con un aacuterea de exposicioacuten de 133 cm2 en dicha celda se vertioacute una solucioacuten de NaCl
al 3 en peso se colocoacute una tapa y se introdujeron un electrodo de referencia de AgAgCl y un
contra-electrodo de grafito Dicha celda se conectoacute a un potenciostato marca Bio-logic modelo
SP-150 controlado mediante una computadora de escritorio con su respectivo software El
dispositivo utilizado para las pruebas se puede ver en la Figura 26a
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el electrodo de
referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo (ET)
40
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
Se utilizoacute la teacutecnica de RP en modo potenciodinaacutemico en un intervalo de plusmn 20 mVEcorr a una
velocidad de barrido de 01667 mVs haciendo la respectiva curva de polarizacioacuten mediante la
computadora Previo a esto el electrodo de trabajo se dejoacute estabilizar en el electrolito (NaCl al 3
peso) durante 30 minutos
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica
Al teacutermino de la medicioacuten de la RP el electrodo de trabajo se dejoacute a circuito abierto durante 15
minutos Posteriormente se utilizoacute la teacutecnica EIE en un intervalo de frecuencias de 50 kHz a 50
mHz a 7 puntos por deacutecada y 10 mV de perturbacioacuten
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos
Para la caracterizacioacuten superficial las placas se cortaron en una maacutequina dobladora a una medida
de 2 x 2 cm para asiacute poder ingresar a ciertos equipos Se eligioacute una muestra de cada condicioacuten
tanto con y sin influencia de campo magneacutetico
261 Dureza
Los estudios de dureza fueron obtenidos con un microduroacutemetro de Vickers marca
Mitutoyo Colocando las placas en el portamuestras del microscopio se hizo incidir el indentador
de diamante aplicando una carga de 10 kgf durante 20 s para un acero suave [36] Este
procedimiento se realizoacute 5 veces por muestra para obtener un promedio de dureza
262 Rugosidad
Se utilizoacute un rugosiacutemetro marca Mitutoyo modelo Surftest-402 Las muestras se colocaron
en una superficie plana y sobre ella se situoacute el palpador con punta coacutenica tal como lo muestra la
Figura 27 posteriormente se calibroacute dicha punta y entonces el equipo realizoacute un pequentildeo recorrido
sobre la superficie con el que determinoacute la rugosidad de cada muestra en microm
41
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido
Para esta caracterizacioacuten de las placas se utilizoacute el Microscopio Electroacutenico de Barrido de
alto-bajo vaciacuteo Jeol JSM 6610LV con un voltaje de 20 kV y una distancia de trabajo de 10 mm
Las placas se colocaron en un portamuestras (Figura 28) y se analizaron a alto vaciacuteo Las imaacutegenes
se formaron con una sentildeal de electrones secundarios a 500 1000 y 5000X
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
Se utilizoacute un Microscopio de Fuerza Atoacutemica marca Asylum Research modelo Cypher que cuenta
con una punta de silicio que tiene una constante de 2 Nm (conforme se va desgastando va
disminuyendo su valor)
Para las muestras sin influencia de campo magneacutetico se utilizoacute el modo contacto es decir
la fuerza entre la punta y la muestra son constantes En el caso de las muestras con influencia de
campo magneacutetico que mostraron una superficie menos rugosa y maacutes faacutecil de medir
topograacuteficamente se usoacute el modo no contacto por lo que la punta no tocaba la muestra sino que
42
oscilaba a una distancia de entre 1 y 10 nm Todas las imaacutegenes se obtuvieron en un aacuterea de 10 x
10 microm a una velocidad de barrido de 10 Hz escaneando 512 liacuteneas generadas por 512 puntos en
zonas especiacuteficas
265 Difraccioacuten de rayos X
Para esta caracterizacioacuten se utilizoacute un difractoacutemetro de rayos X marca Siemens modelo D5000
Las condiciones de operacioacuten fueron las siguientes velocidad de barrido de 05 s incrementos de
0035cps 35 kV y 25 mA El intervalo de aacutengulo seleccionado fue 2θ = 30 a 120deg que es el
rango donde aparecen la mayoriacutea de los picos caracteriacutesticos del niacutequel [37]
43
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten
Para una mejor comprensioacuten de los resultados eacutestos se presentan de manera comparativa en
funcioacuten del tiempo de electrodeposicioacuten con y sin campo magneacutetico analizando dichos
recubrimientos con las teacutecnicas electroquiacutemicas planteadas en el capiacutetulo de metodologiacutea
experimental tambieacuten se realizaron anaacutelisis del comportamiento de las propiedades fiacutesicas tales
como dureza rugosidad y espesor para determinar la influencia del campo magneacutetico durante la
electrodeposicioacuten de niacutequel
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos
La Figura 31b muestra las reacciones que se llevaron a cabo en el proceso de electrodeposicioacuten
Como ya se sabe en el aacutenodo se lleva a cabo la oxidacioacuten del niacutequel y en el caacutetodo la reduccioacuten
del mismo Sin embargo en el caacutetodo tambieacuten se lleva a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten del
hidroacutegeno ya que el medio usado para la electrodeposicioacuten es aacutecido (pH = 3) por ello la eficiencia
en el caacutetodo no es del 100
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni
311 Caacutelculo de masa depositada
Para conocer la masa de Ni depositada en el acero 1018 se realizaron mediciones de peso antes y
despueacutes de que las placas fueran sometidas al proceso de electrodeposicioacuten Sin embargo como el
aacuterea de electrodepoacutesito no es la misma en todas las placas se compara la masa depositada por
centiacutemetro cuadrado tal como lo muestra la Tabla 31
44
En la tabla 31 se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten de
niacutequel la masa por unidad de aacuterea aumenta Esto se cumple para ambas temperaturas (30degC y 60degC)
y ambas condiciones (sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico) sin embargo se demostraraacute
maacutes adelante que el aumento de masa no es garantiacutea de una reduccioacuten de la velocidad de corrosioacuten
(Grafico 31) Es importante sentildealar que tanto a 30degC como a 60degC la masa de niacutequel disminuye
cuando se utiliza el campo mageacutentico sin embargo a 30degC esto no se cumple debido a que hay un
aumento de masa
312 Eficiencia en corriente
Es importante mencionar que en todos los electrodepoacutesitos la corriente final era menor que la
inicial Dicha caiacuteda de corriente se debioacute a la formacioacuten de una capa de oacutexido en el aacutenodo Figura
32 lo que ocasionoacute una disminucioacuten en la entrega de cationes (Ni2+) a la solucioacuten
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido
La eficiencia en corriente se evaluoacute con la foacutermula del Anexo 1-A y se tomoacute el valor de la
corriente inicial para dicho caacutelculo Los resultados se muestran en la Tabla 32 Mientras que
Ferreira y Colnago [12] reportaron obtener eficiencias del doble para sus peliacuteculas de cobre en
45
este caso se puede notar que la presencia del campo magneacutetico provoca una disminucioacuten en el
rendimiento del sistema
La fuente de poder se debe regular para poder otorgar los 4 V que el proceso de
electrodeposicioacuten requiere y desde el momento en que se enciende el aparato empieza a mandar
corriente Por ello ciertas eficiencias sobrepasan el 100 pues el tiempo de ajuste se excedioacute maacutes
de 50 segundos
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
En la Figura 33 se observan los resultados de la resistencia a la polarizacioacuten en funcioacuten de la
temperatura y del tiempo de exposicioacuten A 60degC se observa que el campo magneacutetico provoca una
disminucioacuten de la resistencia a la polarizacioacuten para los diferentes tiempos de electrodepoacutesito
realizados lo cual se traduce en un aumento de la velocidad de corrosioacuten de acuerdo con la
ecuacioacuten de Stern y Geary (Ec 14) Este efecto de disminucioacuten de la Rp tambieacuten se observa en
los datos a 30degC con excepcioacuten del tiempo 7 minutos
46
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal
En la Tabla 33 se presentan las variaciones de icorr y Vcorr sin campo magneacutetico y en
presencia de campo magneacutetico a 30deg y 60deg en funcioacuten del tiempo de electrodepoacutesito
En la Graacutefica 31 se puede observar que a 60degC con mayor tiempo de electrodeposicioacuten de
Ni disminuye la Vcorr Sin embargo se puede notar que con la presencia del campo las velocidades
de corrosioacuten son mayores pero respetando la tendencia antes mencionada
60degC17min CM
60degC17min SC
60degC12min CM
60degC12min SC
60degC7min CM
60degC7min SC
30degC17min CM
30degC17min SC
30degC12min CM
30degC12min SC
30degC7min CM
30degC7min SC
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Rp (Ohm cm2)
47
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de electrodeposicioacuten
La tabla 34 muestra los valores de Ecorr para ambas temperaturas (30degC y 60degC) y en las
dos condiciones ensayadas (sin campo y con campo) Sin campo magneacutetico y con excepcioacuten de
30degC y 17 min se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten el Ecorr se
desplaza hacia valores menos negativos al mismo tiempo que la Vcorr disminuye (Tabla 33) De
acuerdo con la Teoriacutea de Potencial Mixto explicada por Evans el sistema se encuentra bajo un
control tipo anoacutedico es decir que la reaccioacuten de oxidacioacuten de niacutequel se desplaza para dar un Ecorr
menos negativo al mismo tiempo que reduce la Vcorr
1198731198942+ + 2119890minus harr 119873119894deg
Sin embargo a 30degC y 17 min el sistema se encuentra bajo control catoacutedico debido a que
persiste la disminucioacuten de Vcorr ahora con un cambio en el potencial hacia valores maacutes negativos
Al comparar los valores de Ecorr sin campo magneacutetico con los de campo magneacutetico se observa que
para la temperatura 60degC los valores de Ecorr se desplazan hacia valores maacutes electronegativos
Como se discutioacute anteriormente esto se debe a un control cineacutetico tipo anoacutedico Cuando se
considera la temperatura de 30degC se observa un desplazamiento hacia valores menos negativos es
7min 12min 17min
000
002
004
006
008
010
Vco
rr (
mm
an
o)
Tiempo de electrodeposicion
60degC Sin campo
60degC Con campo
30degC Sin campo
30degC Con campo
48
decir la cineacutetica estaacute controlada por la reaccioacuten catoacutedica Diversos trabajos reportan este mismo
efecto en donde el campo magneacutetico tiene un efecto sobre la reaccioacuten de reduccioacuten de oxiacutegeno
1198742 + 21198672119874 + 4119890minus harr 4119874119867minus
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica
Como se mencionoacute previamente en el apartado 167 referente a la teacutecnica de impedancia
mediante esta teacutecnica es posible evidenciar y cuantificar el efecto que tiene la capacitancia de una
interface electroquiacutemica y asiacute proporcionar informacioacuten complementaria al estudio de corrosioacuten
Las graacuteficas 32 33 y 34 correspondientes a los diagramas de Nyquist obtenidos en los
tres diferentes tiempos de electrodeposicioacuten a 60degC con y sin influencia de campo magneacutetico
Revelan en los tres casos que el campo magneacutetico disminuye la resistencia a la transferencia de
carga (Rtc) es decir el proceso de corrosioacuten se ve favorecido tal como se pudo mostrar en los
resultados de resistencia a la polarizacioacuten De igual manera se observa una disminucioacuten en la
resistencia del electrolito (Rs) esto debido a la fuerza convectiva (visible) que ejerce el campo
magneacutetico en el electrolito el cual provoca una mejor difusioacuten de los iones dicha informacioacuten es
consistente a lo reportado por Calivar e Ispas [67]
49
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
500
1000
1500
2000 50 mHz
60degC 7min SC
60degC 7min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
1000
2000
3000
50 mHz
60degC 12min SC
60degC 12min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
50 kHz
50 mHz
Re(Z) (Ohm cm2)
50
Graacutefica 34 EIE de 60degC 17min
34 Dureza Rugosidad y Espesor
La Tabla 35 muestra que la aplicacioacuten de un campo magneacutetico durante el proceso de
electrodeposicioacuten de niacutequel provoca que la dureza disminuya lo que significa que el recubrimiento
es menos susceptible a fracturarse este resultado es similar a lo reportado por Zielinski [11] y la
disminucioacuten de fracturas en sus peliacuteculas de Co-W ante la presencia de un campo magneacutetico
Tambieacuten es importante sentildealar que la rugosidad de cada niquelado presentoacute un
empobrecimiento lo que significa que el campo magneacutetico ayuda a obtener recubrimientos maacutes
uniformes
0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000
0
3000
6000
9000
12000
15000
18000 50 mHz
60degC 17min SC
60degC 17min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
51
Los espesores fueron calculados mediante la foacutermula que aparece en el Anexo 1-B y se
puede notar que eacuteste decrece ante la presencia del campo magneacutetico Esto se puede constatar de
igual forma a partir de los datos de impedancia los cuales permitieron calcular los valores de
capacitancia a partir de la ecuacioacuten de Brug (Ec 19) cuyos resultados se muestran en la Tabla
36
Como se puede observar los valores de capacitancia con el campo magneacutetico son mayores
en un orden de magnitud que aquellos donde no existe el campo permitiendo confirmar que el
espesor maacutes delgado se encuentra con la influencia del campo
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
A continuacioacuten se muestran las imaacutegenes topograacuteficas obtenidas en el MFA Con lo cual se puede
corroborar que ocurre una disminucioacuten en la rugosidad de las peliacuteculas de niacutequel con presencia de
campo magneacutetico
52
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC-7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC-12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC-17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
36 Difraccioacuten de Rayos X
Los patrones de difraccioacuten de los recubrimientos de Ni en acero 1018 Figura 37 se caracterizan
por la presencia de los planos de la estructura cuacutebica centrada en las caras de acuerdo al PDF 03-
065-4899 [32] Esta fase cristalina estuvo presente en todos los recubrimientos
De acuerdo con lo reportado por Hu [33] la energiacutea de activacioacuten para la evolucioacuten de
hidroacutegeno es mayor en el plano (111) que en el plano (200) del Ni Dicho de otra manera en el
53
plano (200) habraacute maacutes produccioacuten de hidroacutegeno gaseoso durante el proceso de electrodeposicioacuten
de niacutequel lo que trae consigo posiblemente recubrimientos porosos
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia de campo
magneacutetico
Para los depoacutesitos en presencia de campo magneacutetico a 7 y 12min se observa una orientacioacuten
preferencial en el plano (200) sin embargo el pico a 7min es mucho mayor que el de 12
comparando estos resultados con las pruebas electroquiacutemicas y de acuerdo a los reportado por Hu
[33] esto nos lleva a suponer que en este caso el recubrimiento es maacutes poroso y delgado de acuerdo
a las medidas de espesor (Tabla 35) Para el caso de 17min con campo magneacutetico se tiene una
orientacioacuten preferencial en el plano (111) esta muestra tiene un mejor comportamiento
electroquiacutemico de acuerdo a la Figura 33 ademaacutes de acuerdo a lo reportado por Hu [33] nos lleva
a deducir que este recubrimiento es el menos poroso de los tres con campo magneacutetico Lo anterior
explica por queacute la velocidad de corrosioacuten es mayor a 7min y va disminuyendo conforme aumenta
el tiempo de electrodeposicioacuten Y tambieacuten revela la causa por la que el potencial de corrosioacuten es
maacutes negativo en presencia del campo magneacutetico La porosidad tambieacuten nos explica la razoacuten por la
cual la dureza de los recubrimientos hechos en presencia del campo magneacutetico disminuye con
respecto a aquellos realizados en ausencia del mismo
40 45 50 55 600
4000
8000
12000
16000
20000
17min SC
17min CM
12 min CM
12 min SC
7min CM
Inte
nsid
ad
(U
A)
2 (grados)
60degC-7min SC
60degC-12min SC
60degC-17min SC
60degC-7min CM
60degC-12min CM
60degC-17min CM
Ni
7min SC
(111) (200)
54
La existencia de los poros en el recubrimiento propicia un par galvaacutenico Figura 38 entre
el niquelado electroliacutetico y el acero 1018 ya que este uacuteltimo es maacutes electronegativo por
consiguiente maacutes propenso a la corrosioacuten Tambieacuten estaacute el efecto de las diferencias de aacutereas entre
aacutenodo (acero) y caacutetodo (niquelado) siendo en este caso el caacutetodo quien posee mayor aacuterea de
exposicioacuten al ambiente es el aacutenodo quien se corroeraacute maacutes faacutecil y raacutepidamente
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni
37 Microscopia Electroacutenica de Barrido
Las Figuras 39 310 y 311 muestran las imaacutegenes obtenidas en el MEB de los recubrimientos de
Ni a 60degC 7min 12min y 17min respectivamente Se aprecia una morfologiacutea maacutes uniforme con la
presencia de campo magneacutetico y las aglomeraciones de partiacuteculas metaacutelicas son mucho maacutes
grandes que sus homoacutelogos sin influencia del campo
55
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y sin influencia
de campo magneacutetico
56
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min con y sin
influencia de campo magneacutetico
57
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min con y sin
influencia de campo magneacutetico
58
Conclusiones
A partir de los resultados experimentales obtenidos en el presente trabajo se puede concluir lo
siguiente
La eficiencia de electrodepositacioacuten es funcioacuten de la pureza del aacutenodo y de la corriente
aprovechada por la reaccioacuten de reduccioacuten de hidroacutegeno
El aumento en el tiempo de electrodepositacioacuten conduce a un aumento en la masa de niacutequel
electrodepositada esto es vaacutelido para la condicioacuten sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico
sin embargo esto no garantiza la disminucioacuten de Vcorr
Sin campo magneacutetico los resultados obtenidos a 30degC y 60degC muestran que la Vcorr
disminuye conforme el tiempo de electrodepoacutesito de niacutequel aumenta Tambieacuten en ausencia del
campo las Vcorr obtenidas a 30degC son menores comparadas con las Vcorr a 60degC a excepcioacuten de
17 min
Sin campo magneacutetico se observa que la degradacioacuten del niquelado estaacute controlada por una
cineacutetica anoacutedica lo cual es vaacutelido para 30degC y para 60degC con excepcioacuten de 30degC y 17 min donde
la cineacutetica que controla es catoacutedica Asimismo a 30degC con campo magneacutetico se observa que la
cineacutetica que controla el sistema es la catoacutedica lo cual sugiere que la reaccioacuten de reduccioacuten de
oxiacutegeno ser manipulada por el campo magneacutetico
En presencia del campo magneacutetico se encontroacute que la resistencia de la solucioacuten disminuyoacute
tanto a 30degC como a 60degC debido a una fuerza adicional convectiva que provoca el campo
magneacutetico
La Vcorr es dependiente de la cantidad de masa depositada pero tambieacuten del ordenamiento
cristalino que los aacutetomos de niacutequel adquieren al momento del electrodepoacutesito
En presencia del campo magneacutetico las micrografiacuteas MEB revelan superficies con menos
rugosidad respecto a las muestras sin campo magneacutetico
A 60degC hay poca o nula contribucioacuten del campo magneacutetico mientras que a 30degC si hay una
contribucioacuten del campo pero es negativa respecto a la Vcorr
59
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62
Anexo 1 Caacutelculos
1-A Caacutelculo de eficiencia
En la praacutectica la corriente suministrada a un sistema no es aprovechada al 100 pues hay
peacuterdidas de corriente por diversos motivos entre otros
a) Desviacioacuten de corriente por caminos secundarios
b) Impurezas de las soluciones (las cuales dan reacciones secundarias)
c) Resistencia eleacutectrica propia del bantildeo electroliacutetico
d) Peacuterdidas por transformacioacuten de energiacutea eleacutectrica a energiacutea caloriacutefica
e) Fenoacutemenos de polarizacioacuten
Entonces se puede decir que
Eficiencia en corriente = 119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119905119890oacute119903119894119888119886
119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119904119906119898119894119899119894119904119905119903119886119889119886 119903119890119886119897x100
1-B Caacutelculo de Espesor
El meacutetodo maacutes satisfactorio para medir el espesor promedio de una capa es disolverla y determinar
el peso de la misma a partir de una muestra cuya aacuterea se conozca en el caso de este estudio se
pesaron las placas antes y despueacutes del electrodepoacutesito para determinar la masa depositada El
espesor se calcula asiacute a partir del peso y del aacuterea y de la densidad o peso especiacutefico del depoacutesito
utilizando la foacutermula
T (espesor) = 119862119882 (119901119890119904119900)
119860(aacute119903119890119886)times119863(119901119890119904119900 119890119904119901119890119888iacute119891119894119888119900)
En donde C es una constante que depende simplemente de las unidades utilizadas En
unidades meacutetricas la ecuacioacuten se transforma en
T(mm) = 10119882(119892119903)
119860(1198881198982)times119863
63
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 7min
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 12min
-0000006 -0000003 0000000 0000003
-040
-038
-036
-034
-032
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
-0000004 -0000002 0000000 0000002
-035
-034
-033
-032
-031
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
64
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 17min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 7min
-00000006 -00000003 00000000 00000003 00000006
-026
-024
-022
-020
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
-00000027 -00000018 -00000009 00000000 00000009 00000018
-028
-024
-020
-016
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
65
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 12min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 17min
-0000004 -0000002 0000000 0000002 0000004
-038
-036
-034
-032
-030
-028
-026
-024
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
-0000006 -0000003 0000000 0000003 0000006 0000009
-032
-031
-030
-029
-028
-027
-026
-025
-024
-023
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
ii
iii
Agradecimientos
Este proyecto es el resultado del esfuerzo conjunto de todos y cada uno de los que de una u otra
manera formaron parte de mi grupo de trabajo Por lo cual agradezco
Al Dr Gonzalo Galicia Aguilar por dirigir este trabajo de tesis por sus correcciones y
consejos Sobre todo por la confianza depositada en miacute daacutendome la oportunidad de trabajar con
eacutel en la presente Tesis de Licenciatura
A la Dra Aida Liliana Medina Almazaacuten por su ayuda durante mi estancia en el ININ sin
ella no hubiera sido posible la culminacioacuten de este proyecto Tambieacuten quiero agradecerle por las
valiosas sugerencias que trajeron consigo mejoras en la calidad del trabajo
Al Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) por toda la ayuda proporcionada
para la realizacioacuten de la parte experimental
Al Dr Leandro Garciacutea Gonzaacutelez por sus aportaciones aunque pequentildeas muy significativas
para la elaboracioacuten de este trabajo
A la maestra Ruth Patricia Aragoacuten Loacutepez por su constancia y dedicacioacuten al dar todos los
conocimientos que teniacutea para la idoacutenea redaccioacuten de esta Tesis
De igual manera se agradece el apoyo financiero por medio de los proyectos CA-218 del
ININ y CFE-Conacyt 154289
Finalmente a mis profesores de corrosioacuten por haberme dado las bases teoacutericas con las que
pude desarrollar este proyecto
iv
Dedicatorias
Sin lugar a dudas dedico este triunfo a MI MADRE por ser el pilar de mi vida por no dejarme
caer por ese apoyo y amor incondicional que me ha llevado a donde estoy ahora Por soportarme
en cada momento de estreacutes y frustracioacuten Gracias porque en cada reto presentado nunca dudoacute ni
un segundo de mi inteligencia y capacidad Este trabajo es tanto miacuteo como de ella
Tambieacuten dedico este proyecto a mi novio mi compantildeero inseparable de cada jornada
estudiantil Y sin olvidar a mis pocos amigos tanto carmelos como jarochos esos que he ido
cosechando escasamente durante mi estancia en este planeta les dedico este trabajo por hacer mis
diacuteas de estudiante maacutes divertidos
Finalmente a esos excelentes profesores que marcaron mi vida durante la primaria
secundaria y preparatoria Por transmitirme sus conocimientos y siempre tener buenos deseos hacia
mi persona
v
Iacutendice Iacutendice de Tablas ix
Iacutendice de Figuras x
Nomenclatura xiii
Resumen xiv
Abstract xiv
Introduccioacuten 1
Justificacioacuten 2
Objetivo General 3
Objetivos Especiacuteficos 3
Hipoacutetesis 4
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico 5
11 Antecedentes 5
12 Generalidades 7
121 El campo magneacutetico 7
122 Definicioacuten de corrosioacuten 8
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten 8
1231 Corrosioacuten seca 8
1232 Corrosioacuten huacutemeda 9
124 Tipos de ataque por corrosioacuten 10
125 Celdas electroquiacutemicas 11
1251 Celda galvaacutenica 12
1252 Celda electroliacutetica 13
13 Principios Electroquiacutemicos 14
131 Electrolitos 14
vi
1311 Tipos de electrolitos 14
132 Ley de Ohm 15
133 Leyes de Faraday 15
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary 16
14 Control de la corrosioacuten 17
141 Proteccioacuten catoacutedica 17
142 Inhibidores de corrosioacuten 18
143 Recubrimientos protectores 18
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos 19
15 Galvanoplastia 19
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten 19
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel 21
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel 21
1522 Condiciones de operacioacuten 23
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel 24
1524 Niquelado en diferentes metales base 25
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten 26
161 Dureza 26
1611 Ensayo de dureza Vickers 26
162 Rugosidad 27
1621 El perfiloacutemetro 27
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB) 28
1631 Componentes baacutesicos del MEB 29
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA) 29
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX) 30
vii
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X 31
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP) 32
1661 Procedimiento experimental 32
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE) 33
1671 Representaciones graacuteficas 34
1672 Ecuacioacuten de Brug 35
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental 36
21 Preparacioacuten superficial de muestras 36
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos 36
23 Preparacioacuten del electrolito 37
24 Obtencioacuten de recubrimientos 38
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos 39
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal 40
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica 40
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos 40
261 Dureza 40
262 Rugosidad 40
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido 41
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 41
265 Difraccioacuten de rayos X 42
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten 43
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos 43
311 Caacutelculo de masa depositada 43
312 Eficiencia en corriente 44
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal 45
viii
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica 48
34 Dureza Rugosidad y Espesor 50
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 51
36 Difraccioacuten de Rayos X 52
Conclusiones 58
Bibliografiacutea 59
Anexo 1 Caacutelculos 62
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten 63
ix
Iacutendice de Tablas
Tabla 11 Paraacutemetros termodinaacutemicos de las celdas electroquiacutemicas 11
Tabla 12 Serie galvaacutenica 12
Tabla 13 Ejemplos de electrolitos y no electrolitos 15
Tabla 21 Composicioacuten del bantildeo Watts 37
Tabla 22 Condiciones de operacioacuten 38
Tabla 31 Masa depositada en cada centiacutemetro cuadrado 44
Tabla 32 Valores de eficiencia 45
Tabla 33 Valores de icorr y Vcorr con y sin campo magneacutetico 46
Tabla 34 Valores de potencial de corrosioacuten 48
Tabla 35 Valores de dureza rugosidad y espesor para recubrimientos de Ni con y sin
influencia de campo magneacutetico
51
Tabla 36 Valores de capacitancia para recubrimientos de Ni con y sin presencia de
campo magneacutetico
51
x
Iacutendice de Figuras
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver 5
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes
(izq) Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico
aplicado
6
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas
(izq) Con campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
6
Figura 14 El campo magneacutetico 7
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca 9
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda 10
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten 11
Figura 18 Celda galvaacutenica 13
Figura 19 Celda electroliacutetica 14
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de
sacrificio de magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
18
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre 20
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante ensayo de dureza
27
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro 27
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y de
fotones por la interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
28
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB 29
Figura 116 Funcionamiento de un MFA 30
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X 31
Figura 118 Circuito equivalente simple 33
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist 34
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b)
Moacutedulo de impedancia
35
Figura 21 Decapado de muestras 36
xi
Figura 22 Determinacioacuten de los polos 37
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico 37
Figura 24 Rondelas de niacutequel 38
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con
imanes de Neodimio
39
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el
electrodo de referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo
(ET)
39
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad 41
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB 41
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni 43
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido 44
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal 46
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC 7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC 12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC 17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia
de campo magneacutetico
53
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni 54
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y
sin influencia de campo magneacutetico
55
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min
con y sin influencia de campo magneacutetico
56
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min
con y sin influencia de campo magneacutetico
57
xii
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de
electrodeposicioacuten
47
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min 49
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min 49
Graacutefica 34 EIE de 60degC a 17min 50
xiii
Nomenclatura
Ni ndash Niacutequel
T ndash Tesla
M ndash Metal
A ndash Ampere
Ec ndash Ecuacioacuten
ER ndash Electrodo de Referencia
ET ndash Electrodo de Trabajo
EA ndash Electrodo Auxiliar
Ecorr ndash Potencial de corrosioacuten
Vcorr ndash Velocidad de corrosioacuten
Rp ndash Resistencia a la polarizacioacuten
Rtc ndash Resistencia a la transferencia de carga
Rs ndash Resistencia del electrolito o de la solucioacuten
EIE ndash Espectroscopiacutea de impedancia electroquiacutemica
MFA ndash Microscopiacutea de fuerza atoacutemica
DRX ndash Difraccioacuten de rayos X
MEB ndash Microscopiacutea electroacutenica de barrido
SC ndash Sin campo magneacutetico
CM ndash Con campo magneacutetico
HV ndash Dureza Vickers
xiv
Resumen
En este estudio se obtuvieron recubrimientos de niacutequel con y sin presencia de campo magneacutetico a
60degC a 7 12 y 17 min sobre sustratos de acero al carbono AISI 1018 a partir de una solucioacuten tipo
Watts claacutesica Las propiedades de los recubrimientos se estudiaron mediante DRX MEB MFA
duroacutemetro y rugosiacutemetro tambieacuten se estudioacute el comportamiento electroquiacutemico de las peliacuteculas
mediante RP y EIE y ademaacutes se realizaron caacutelculos de capacitancia icorr velocidad de corrosioacuten
y espesor En general el campo magneacutetico tiene una influencia negativa en las propiedades fiacutesicas
y quiacutemicas de un electrodeposito de Ni en acero AISI 1018 Los detalles son discutidos en esta
investigacioacuten
Abstract
In this study nickel coatings were obtained with and without the presence of magnetic field at 60degC
for 7 12 and 17 min on substrates of AISI 1018 carbon steel from a classical type Watts solution
The properties of the coatings were studied by XRD SEM AFM hardness tester and roughness
tester the electrochemical behavior of the films was also studied through RP and EIE and also
capacitance calculations icorr corrosion rate and thickness were made In general the magnetic
field has a negative influence on the physical and chemical properties of an electrodeposited Ni
steel AISI 1018 The details are discussed in this research
1
Introduccioacuten
En los Reactores de agua en ebullicioacuten (BWR por sus siglas en ingleacutes) la radioacutelisis del agua
produce un medio altamente oxidante [1] que genera que los materiales estructurales presenten un
elevado potencial electroquiacutemico de corrosioacuten (PEC) cuando estaacuten en contacto con el agua en el
BWR Este PEC incrementa la propensioacuten a experimentar agrietamiento por corrosioacuten bajo
esfuerzos (SCC) [2] y agrietamiento por corrosioacuten intergranular bajo esfuerzos (IGSCC) [3] en los
materiales de los componentes internos tales como acero inoxidable aleaciones base niacutequel y las
zonas afectadas por el calor (HAZ) propias de un proceso de soldadura Ademaacutes en las condiciones
de alta temperatura del reactor BWR se forma una capa de oacutexido que puede ser hematita en
condiciones de alto oxiacutegeno o magnetita en condiciones de bajo oxiacutegeno Este segundo oacutexido es
un imaacuten por naturaleza por lo que este estudio contribuiraacute ademaacutes a discernir y en dado caso a
explicar si la presencia de un oacutexido magneacutetico o de otro que no lo sea tiene una influencia en la
deposicioacuten de recubrimientos alternos para mitigar el agrietamiento por corrosioacuten bajo esfuerzos
(SCC por sus siglas en ingleacutes) de los materiales de componentes internos de reactores BWR
El electrodepoacutesito de niacutequel sobre una superficie metaacutelica se hace con el fin de proteger las
piezas de la corrosioacuten pues posee buenas propiedades anticorrosivas y buena resistencia al
desgaste Los recubrimientos de niacutequel se utilizan en numerosos sectores industriales electroacutenica
componentes eleacutectricos petroquiacutemica automocioacuten etc [4] Por ello el presente trabajo muestra la
utilizacioacuten de un campo magneacutetico de 15 a 34 T (Valor fluctuante) para la obtencioacuten de
recubrimientos de Ni en acero un acero bajo carbono especiacuteficamente el AISI 1018 Las
propiedades de dichos recubrimientos se evaluaron mediante teacutecnicas electroquiacutemicas como Rp y
EIE para determinar las velocidades de corrosioacuten de las peliacuteculas De igual manera se estudiaron
los recubrimientos mediante DRX MEB y MFA Para finalmente establecer la influencia positiva
o negativa de dicho campo magneacutetico en los procesos de deposicioacuten electroliacutetica
2
Justificacioacuten
Para mitigar el SCC de los componentes internos de los BWR [5] en la actualidad se antildeaden sales
como precursores metaacutelicos por ejemplo Na2Pt(OH)6 que se transforman en partiacuteculas metaacutelicas
al entrar en contacto con el acero debido a la diferencia de potencial entre Fe y Pt [6] adhirieacutendose
al acero estructural por medio de procesos de precipitacioacuten Estas partiacuteculas catalizan las reacciones
de recombinacioacuten de especies oxidantes disminuyendo los procesos de corrosioacuten del acero sin
embargo los catalizadores basados en Pt tienen el inconveniente de costo elevado [7]
En este sentido una posible opcioacuten es la electrodeposicioacuten de un metal sobre la superficie
que se interesa proteger pero la efectividad de estos depoacutesitos depende de la preparacioacuten de la
superficie y de aspectos teacutecnicos ya estandarizados en normativas por ejemplo la Norma ISO
1458-1974 ldquoMetallic coatingsrdquo Si bien son de los mejores meacutetodos para proteger un metal auacuten
presentan diversas anomaliacuteas que generan superficies porosas falta de cohesioacuten y peliacuteculas
amorfas lo que conlleva a altos costos de produccioacuten debido a que se debe repetir el proceso y
contaminacioacuten ambiental a causa de los reactivos quiacutemicos usados para limpiar nuevamente la
superficie a recubrir
Debido a lo anterior este estudio tiene por objeto determinar si el campo magneacutetico influye
o no en las propiedades de adherencia rugosidad y eficiencia de un electrodepoacutesito de niacutequel
Siendo los mayores beneficiarios con este trabajo investigativo el ambiente la industria
galvanoplaacutestica y la comunidad electroquiacutemica
3
Objetivo General
Evaluar el efecto de un campo magneacutetico sobre las propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero bajo carbono especiacuteficamente en un acero AISI 1018
Objetivos Especiacuteficos
1- Elaborar electrodepoacutesitos de niacutequel en acero 1018 con y sin presencia de campo magneacutetico
2- Evaluar los electrodepoacutesitos mediante corriente directa y alterna
3- Analizar los electrodepoacutesitos por medio de pruebas fiacutesicas y quiacutemicas
4- Determinar el efecto de un campo magneacutetico en un electrodepoacutesito de niacutequel
4
Hipoacutetesis
El campo magneacutetico provoca una orientacioacuten en los iones yo moleacuteculas del electrolito destinado
a la electrodeposicioacuten con ello se modifican ciertas propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero 1018
5
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico
11 Antecedentes
El efecto de un campo magneacutetico sobre la orientacioacuten de las moleacuteculas durante un proceso de
formacioacuten de un producto ha sido muy poco estudiado En la industria se encuentran algunos casos
sin que haya reportes formales A continuacioacuten se discutiraacuten algunos de ellos
El ldquoFuel Energy Saverrdquo (Figura 11) es un producto de la compantildeiacutea mexicana ldquoEnergy
Saverrdquo se trata de un inductor de resonancia magneacutetica de alta potencia que genera frecuencias
especiacuteficas la cual fractura las cadenas de hidrocarburos alineando y haciendo todas las moleacuteculas
maacutes accesibles al oxiacutegeno lo que se traduce en una mejor combustioacuten con el consiguiente ahorro
de combustible y reduccioacuten de contaminacioacuten [8] Es aplicable para cualquier tipo de combustible
(gas natural gas LP dieacutesel combustoacuteleo gasoacuteleo) y puede ser usado en todo equipo de iacutendole
industrial (hornos calderas calentadores secadores estufas)
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver
Algunas empresas del ramo automotriz (por ejemplo Mercedes Benz) estaacuten empleando el
principio del FES para que por medio un campo magneacutetico se orienten las moleacuteculas del
combustible y de oxiacutegeno antes de que eacutestas sean consumidas La explicacioacuten a este fenoacutemeno fue
dada por Kita amp Kulish [9] que consiste en lo siguiente el combustible se consumiraacute a medida que
haya oxiacutegeno disponible Si en lugar de que el oxiacutegeno se alimente de manera ldquodesordenadardquo eacuteste
pudiera ser orientado antes de entrar a la caacutemara de combustioacuten se lograriacutea un mejor consumo de
combustible-oxiacutegeno lo cual se traduce en mayor potencia en el motor y un mejor
aprovechamiento del combustible es decir habriacutea menor cantidad de contaminantes (NOx y CO2)
en el escape
6
Otro ejemplo del uso de campos magneacuteticos se puede encontrar en la formacioacuten de
calcaacutereos en intercambiadores de calor La industria que sufre de formacioacuten de dichos productos
tambieacuten ha encontrado beneficios con el uso de un campo magneacutetico colocado en el depoacutesito de
agua y se observa que los productos calcaacutereos se desvanecen tal como se aprecia en la Figura 12
La explicacioacuten a este efecto se atribuye nuevamente a la reorientacioacuten de las moleacuteculas dando como
consecuencia una estructura amorfa en lugar de una cristalina caracteriacutestica de los calcaacutereos [10]
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes (izq)
Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico aplicado
Por el lado de las investigaciones cientiacuteficas se tiene el anaacutelisis del efecto de un campo
magneacutetico de 12 T en la electrodeposicioacuten y estructura de las aleaciones cobalto-tungsteno con
ello Zielinski [11] pudo establecer que la aplicacioacuten del campo magneacutetico cambioacute la composicioacuten
quiacutemica y la morfologiacutea de las aleaciones Co-W
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas (izq) Con
campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
7
De la misma manera Ferreira y Colnago [12] estudiaron la influencia del campo magneacutetico
de una resonancia magneacutetica nuclear (RMN) durante la reaccioacuten electroliacutetica del cobre Sus
resultados fueron exitosos pues la reaccioacuten en presencia de un campo magneacutetico de 023 T tuvo
un rendimiento del doble que la de la reaccioacuten en ausencia de dicho campo
Finalmente pero no menos importantes Calivar [13] con su creacioacuten de modelos de
conveccioacuten magneacutetica en electrodeposicioacuten de peliacuteculas delgadas de cobre y tambieacuten Ispas [14]
con su estudio del efecto de un campo magneacutetico de 05 T en la electrodeposicioacuten de la aleacioacuten
Ni-Fe Ambos llegaron a la misma conclusioacuten un campo magneacutetico provoca una conveccioacuten en el
fluido el cual provoca una contribucioacuten adicional de masa-transporte
12 Generalidades
121 El campo magneacutetico
Se trata de un campo que ejerce fuerzas (denominadas magneacuteticas) sobre los materiales Es una
magnitud vectorial pero no produce ninguacuten efecto sobre cargas en reposo (como siacute lo hace el
campo eleacutectrico doacutende las acelera a traveacutes de la fuerza eleacutectrica) Sin embargo el campo magneacutetico
siacute tiene influencia sobre cargas eleacutectricas en movimiento [15]
Por ejemplo en el estado soacutelido si una carga en movimiento atraviesa un campo magneacutetico
la misma sufre la accioacuten de una fuerza magneacutetica que no modifica la velocidad pero siacute la
trayectoria Cabe mencionar que en el estado liacutequido o en el estado gaseoso el efecto del campo
magneacutetico no estaacute bien definido
Figura 14 El campo magneacutetico
8
La unidad de campo magneacutetico en el Sistema Internacional es el tesla (T) Un tesla se define
como el campo magneacutetico que ejerce una fuerza de 1 N (newton) sobre una carga de 1 C (coulomb)
que se mueve a velocidad de 1 ms dentro del campo
122 Definicioacuten de corrosioacuten
Se denomina corrosioacuten al ataque destructivo de un material generalmente metaacutelico por reaccioacuten
quiacutemica o electroquiacutemica con su medio ambiente (atmoacutesfera suelo agua etc)
La reaccioacuten baacutesica de corrosioacuten es
M Mn+ + ne-
De acuerdo con ello tambieacuten es posible definir la corrosioacuten desde un punto de vista maacutes
electroquiacutemico como el traacutensito de un metal de su forma elemental a su forma ioacutenica o combinada
con una respectiva cesioacuten de electrones [16] Dicho de otra manera el metal a traveacutes de la
corrosioacuten retorna a su forma combinada formando oacutexidos sulfuros hidroacutexidos etc Pues asiacute es
como los metales se encuentran habitualmente en la naturaleza por tratarse de formas
termodinaacutemicamente maacutes estables
El proceso de corrosioacuten es natural y espontaacuteneo y cuanto mayor es la energiacutea gastada en la
obtencioacuten del metal a partir del mineral tanto maacutes es la tendencia del metal a regresar a su forma
basal es decir mucho maacutes favorecida termodinaacutemicamente estaacute la reaccioacuten de oxidacioacuten
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten
Tradicionalmente se establecen dos procesos baacutesicos de ataques corrosivos atendiendo al medio
en el que se producen
Corrosioacuten seca
Corrosioacuten huacutemeda
1231 Corrosioacuten seca
Tiene lugar cuando el material se encuentra sometido a la accioacuten de gases principalmente a
temperaturas elevadas por lo que no se tiene un electrolito condensado Este tipo de corrosioacuten es
la que se produce en calderas sobrecalentadores reactores etc en la parte que estaacute en contacto
con los productos de combustioacuten
9
En la corrosioacuten seca los oacutexidos que se forman son de caraacutecter ioacutenico (cationes metaacutelicos y
aniones de oacutexido regularmente distribuidos) La estructura cristalina formada presenta
normalmente defectos reticulares (deficiencias ioacutenicas) a traveacutes de los cuales se produce la
difusioacuten de iones
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca
1232 Corrosioacuten huacutemeda
Tiene lugar cuando el material se encuentra en medios acuosos (Figura 16) Se produce
normalmente a temperatura ambiente o no muy elevada Es la maacutes extendida por cuanto afecta a
un sinfiacuten de elementos en los que el material es usado en tanques tuberiacuteas intercambiadores
precalentadores carcasas estructuras buques etc
Todos los procesos de corrosioacuten involucran transferencia de carga (iones y electrones) en
particular en el caso de corrosioacuten huacutemeda eacutesta se da a traveacutes de soluciones acuosas (electrolitos)
las cuales son eleacutectricamente conductoras En general el proceso requiere de tres etapas
1) Oxidacioacuten Los aacutetomos metaacutelicos aumentan su valencia al ceder electrones convirtieacutendose
en iones positivos los cuales pasan al electrolito
2) Transporte de carga Los electrones son transferidos al caacutetodo
3) Reduccioacuten Reaccioacuten donde se consumen los electrones generados en la oxidacioacuten
Este tipo de corrosioacuten es netamente electroquiacutemico ya que es un proceso en el que se llevan
a cabo reacciones de oxidacioacuten y de reduccioacuten de ahiacute que se conozca coacutemo proceso REDOX Cabe
mencionar que se puede favorecer una reaccioacuten u otra en caso de inclinarse por la oxidacioacuten
10
entonces se da la corrosioacuten y si es la reduccioacuten se puede proteger al metal por ejemplo con
electrodepoacutesitos
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda
124 Tipos de ataque por corrosioacuten
Es importante sentildealar que la corrosioacuten huacutemeda presenta dos tipos de ataque corrosioacuten uniforme y
corrosioacuten localizada
a) Corrosioacuten uniforme homogeacutenea o generalizada El ataque se extiende de forma
homogeacutenea sobre toda la superficie metaacutelica y por tanto la peacuterdida de material es
aproximadamente la misma en todos los puntos A este tipo de ataque se le identifica por
crecimiento 2D debido a que se desarrolla preferentemente a lo largo de la superficie Por
consiguiente es relativamente faacutecil estimar la vida uacutetil de los materiales metaacutelicos que lo
sufren
b) Corrosioacuten localizada El ataque no se distribuye de forma homogeacutenea localizaacutendose por
el contrario en determinadas zonas de la superficie metaacutelica A este tipo de ataque se le
conoce por crecimiento 3D debido a que se desarrolla de manera local dando preferencia a
la profundidad maacutes que a la superficie Dentro de este tipo de corrosioacuten existe a su vez
otra clasificacioacuten que se menciona a continuacioacuten
11
a Corrosioacuten por picadura
b Corrosioacuten por hendidura
c Corrosioacuten galvaacutenica
d Corrosioacuten intergranular
e Corrosioacuten bajo tensioacuten
f Corrosioacuten cavitacioacuten
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten
125 Celdas electroquiacutemicas
En corrosioacuten una celda es un dispositivo en el cual se producen reacciones quiacutemicas de oxidacioacuten
y reduccioacuten El aparato se integra de las siguientes partes sustancia que contiene iones (electrolito)
dos electrodos (caacutetodo y aacutenodo) y una conexioacuten eleacutectrica entre ambos electrodos
Existen dos tipos de celdas las electroliacuteticas que requieren un voltaje externo (fuente de
poder) y las electroquiacutemicas o galvaacutenicas que solamente necesitan un instrumento para registrar
voltaje Por lo cual se dice que las primeras son no espontaacuteneas y las segundas espontaacuteneas
Termodinaacutemicamente una reaccioacuten espontaacutenea presenta una energiacutea libre de Gibbs negativa y la
no espontaacutenea positiva tal como se aprecia en la Tabla 11
12
1251 Celda galvaacutenica
Una celda galvaacutenica (Figura 18) es aquella en la cual la energiacutea quiacutemica es convertida en energiacutea
eleacutectrica por medio de una reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea Esto se debe a que un metal es maacutes activo
y otro maacutes noble aacutenodo y caacutetodo respectivamente seguacuten la serie galvaacutenica por lo que al ser
conectados eleacutectricamente producen un flujo de electrones desde el caacutetodo al aacutenodo Dicho flujo
genera un potencial eleacutectrico que puede ser medido experimentalmente
Los requisitos para que se produzca un proceso de corrosioacuten en una pila galvaacutenica son los
siguientes
1 Dos superficies con distinto potencial electroacutedico
a Una de ellas que constituye al aacutenodo de la reaccioacuten al ceder electrones sufriraacute la
corrosioacuten Es decir aquiacute se lleva a cabo la reaccioacuten de oxidacioacuten Es el polo
negativo
Mdeg Mne- + ne-
b La otra que constituye el caacutetodo ganaraacute los electrones cedidos por el aacutenodo En
esta zona ocurriraacute la reaccioacuten de reduccioacuten Es el polo positivo
Mne- + ne- Mdeg
13
2 Un electrolito conductor ioacutenico que contiene los elementos caracteriacutesticos del medio
corrosivo Es justo aquiacute en el seno de la solucioacuten donde ocurre el transporte de materia
3 Una conexioacuten eleacutectricamente conductora entre el aacutenodo y el caacutetodo para que sea posible
el transporte de carga
Figura 18 Celda galvaacutenica
1252 Celda electroliacutetica
Las celdas electroliacuteticas no son espontaacuteneas por lo que debe aplicarse externamente un potencial
eleacutectrico para que funcionen Al proveer dicha energiacutea se fuerza a que una corriente eleacutectrica pase
por la celda con el fin de generar reacciones quiacutemicas de oacutexido-reduccioacuten en la superficie de los
electrodos de dicha celda Uno de los procesos maacutes conocidos es el electrodepoacutesito de metales
como cobre niacutequel o zinc Es importante puntualizar que aquiacute el aacutenodo estaraacute cargado
positivamente y el caacutetodo negativamente contrario a lo sucedido en las celdas galvaacutenicas
Las partes que conforman a la celda electroliacutetica son las siguientes
1 Electrolito Al igual que en las celdas galvaacutenicas se necesita de un conductor ioacutenico
2 Aacutenodo En este tipo de celdas el aacutenodo posee el polo positivo y aquiacute se lleva a cabo la
oxidacioacuten de la especie electroquiacutemica
3 Caacutetodo Eacuteste es el polo negativo y en eacutel se produce la reduccioacuten de la especie
electroquiacutemica
14
4 Fuente de energiacutea Es quien aplica la energiacutea necesaria para poder invertir el sentido
natural de la corriente dando lugar a una reaccioacuten quiacutemica opuesta a la que se produce
espontaacuteneamente en la pila
Figura 19 Celda electroliacutetica
13 Principios Electroquiacutemicos
131 Electrolitos
Todos los solutos que se disuelven en agua se agrupan en dos categoriacuteas electrolitos y no
electrolitos Un electrolito es una sustancia que cuando se disuelve en agua forma una disolucioacuten
capaz de conducir la electricidad Un no electrolito por lo tanto no conduce la corriente eleacutectrica
cuando se disuelve en agua
1311 Tipos de electrolitos
Los electrolitos se clasifican en fuertes y deacutebiles Los primeros son sustancias que estaacuten casi
completamente disociadas en la solucioacuten e incluyen soacutelidos ioacutenicos y aacutecidos fuertes Los uacuteltimos
poseen enlaces tan fuertes que muy difiacutecilmente se ionizan en solucioacuten permaneciendo la mayor
parte en forma de moleacuteculas las cuales no tienen la capacidad de transportar carga eleacutectrica como
lo hacen los iones Es importante mencionar que los electrolitos por buenos conductores de la
electricidad que puedan ser siempre tendraacuten menor capacidad para conducir la electricidad que los
materiales soacutelidos [17]
15
132 Ley de Ohm
Una de las maacutes importantes caracteriacutesticas eleacutectricas de un material soacutelido es la facilidad con que
transmite una corriente eleacutectrica La ley de Ohm relaciona la corriente (I) o sea el paso de carga
por unidad de tiempo con el voltaje aplicado (V) de la manera siguiente
V = IR
Donde R es la resistencia del material a traveacutes del cual pasa la corriente Las unidades de
V I y R son respectivamente voltios (V) amperios (A) y ohmios (Ω)
133 Leyes de Faraday
En electroquiacutemica es de suma importancia poder determinar la velocidad a la que ocurren las
reacciones de oacutexido-reduccioacuten cuando una corriente atraviesa una interfase soacutelido-electrolito pues
esto trae como consecuencia un transporte de materia resultado de la peacuterdida (oxidacioacuten) o
ganancia (reduccioacuten) de masa en el electrodo de trabajo
Cabe mencionar que las caracteriacutesticas superficiales del electrodo y las interacciones del
electrolito en dicha superficie son las que determinan la velocidad de reaccioacuten de un proceso
electroquiacutemico [18] Sin embargo hay tantos factores que pueden afectar directamente la velocidad
de reaccioacuten que por ello las leyes de Faraday solo son utilizables cuando el proceso controlador es
la transferencia de carga
Con las investigaciones del fiacutesico britaacutenico Michael Faraday (1791-1867) se descubrieron
las relaciones cuantitativas entre la cantidad de electricidad que pasa a traveacutes de una solucioacuten y la
cantidad de materia separada o precipitada en los electrodos Es decir con dichas expresiones es
posible calcular el transporte de materia en la interfase soacutelido-electrolito [16]
Primera Ley La masa de un ion liberado o depositado en un electrodo es proporcional a
la cantidad de electricidad que pase a traveacutes de la solucioacuten
Ec 11
16
m = 119868119905119875119860
119899119865
Donde PA es el peso atoacutemico la I la corriente en Amperes t el tiempo que pasa dicha carga
en segundos n el nuacutemero de equivalentes involucrados y F la constante de Faraday
Segunda Ley Las cantidades de sustancias liberadas o depositadas por una cantidad de
electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes Aplica cuando una misma
cantidad de electricidad atraviesa distintos electrolitos es decir cuando el proceso se lleva a cabo
en serie
1198981
1198901=
1198982
1198902
Donde m1 y m2 son las masas depositadas y e1 y e2 son los equivalentes quiacutemicos El
equivalente quiacutemico es la relacioacuten entre el peso atoacutemico y el nuacutemero de oxidacioacuten del compuesto
en cuestioacuten
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary
La ecuacioacuten de Stern-Geary establece la relacioacuten entre la densidad de corriente de corrosioacuten (icorr)
es decir la velocidad de corrosioacuten con la resistencia a la polarizacioacuten [19]
119894119888119900119903119903 = 119861
119877119875
119861 = 119887119886119887119888
2303 (119887119886 + 119887119888)
Donde ba y bc son las pendientes de Tafel anoacutedica y catoacutedica respectivamente
La constante B en la ecuacioacuten sirve para presentar una relacioacuten existente entre las
pendientes de Tafel Para que la ecuacioacuten de Stern-Geary sea aplicable es imperativo que exista
comportamiento tafeliano en el sistema electroquiacutemico
Ec 12
Ec 13
Ec 14
Ec 15
17
14 Control de la corrosioacuten
Baacutesicamente todos los meacutetodos que existen para lograr controlar la corrosioacuten de los materiales
metaacutelicos son intentos para interferir con el mecanismo de corrosioacuten de tal manera que se pueda
hacer que eacuteste sea lo maacutes ineficiente posible Dado que para que exista un proceso de corrosioacuten
debe formarse una pila o celda de corrosioacuten ademaacutes de una diferencia de potencial entre los
electrodos o zonas anoacutedicas y catoacutedicas la eliminacioacuten de alguno de los componentes esenciales
de la mencionada pila podriacutea llegar a detener el proceso [20]
En la praacutectica existen tres maneras de lograr lo anterior y enseguida se explicaraacute en queacute
consiste cada una Sin embargo es muy importante sentildealar que ninguacuten meacutetodo elimina la
corrosioacuten sino que todos disminuyen la velocidad de la reaccioacuten de oxidacioacuten ya que el metal
siempre buscaraacute la condicioacuten de miacutenima energiacutea que es la formacioacuten de oacutexidos e hidroacutexidos
141 Proteccioacuten catoacutedica
Se debe recordar que toda estructura propensa a corroerse presenta zonas catoacutedicas y anoacutedicas
siendo estas uacuteltimas aquellas aacutereas donde se lleva a cabo la corrosioacuten Pero si todas las aacutereas
anoacutedicas se pudieran convertir en catoacutedicas la estructura completa funcionariacutea como caacutetodo y la
corrosioacuten se disminuiriacutea considerablemente [21] Ese es el mecanismo de accioacuten de la proteccioacuten
catoacutedica y se puede llevar a cabo de dos maneras tal como lo muestra la Figura 110
Por corriente impresa La proteccioacuten se logra aplicando una corriente externa a partir de
un rectificador que suministra corriente continua de bajo voltaje El terminal positivo de la
fuente de corriente se conecta a un aacutenodo auxiliar (grafito por ejemplo) localizado a una
determinada distancia de la estructura a proteger y el terminal negativo se conecta a la
estructura metaacutelica
Por aacutenodos de sacrificio El metal a proteger se conecta a otro metal menos noble seguacuten
la serie galvaacutenica que actuaraacute como aacutenodo en la celda de corrosioacuten En ese caso la
estructura actuaraacute como caacutetodo y quedaraacute protegida por el ldquosacrificiordquo del aacutenodo que se
corroeraacute
18
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de sacrificio de
magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
142 Inhibidores de corrosioacuten
Los inhibidores son sustancias orgaacutenicas o inorgaacutenicas que se agregan a la solucioacuten corrosiva con
el fin de disminuir su poder de ataque y asiacute reducir la velocidad de corrosioacuten Se puede decir que
un inhibidor es un calmante de la corrosioacuten pues como ya se mencionoacute con anterioridad ninguacuten
meacutetodo la elimina en su totalidad
El comportamiento de los inhibidores puede ser muchas veces peligroso ya que en funcioacuten
de la concentracioacuten pueden jugar tanto el papel de inhibidores como de estimuladores de la
corrosioacuten [21]
Los hay de dos tipos aunque a veces se utiliza una combinacioacuten de ambos
1) Inhibidores anoacutedicos Actuacutean formando un compuesto insoluble el cual precipita en los
lugares afectados por la peacuterdida de materia evitando la reaccioacuten anoacutedica y por lo tanto
inhibe la corrosioacuten Ejemplos hidroacutexido soacutedico carbonato silicato y borato de sodio
ciertos fosfatos cromato soacutedico nitrito y benzoato de sodio etc
2) Inhibidores catoacutedicos Actuacutean sobre toda la superficie formando una capa o peliacutecula de
alta resistencia eleacutectrica la cual funciona como una barrera para la corriente de corrosioacuten
Ejemplos sulfato de zinc sulfato de magnesio bicarbonato de calcio etc
143 Recubrimientos protectores
Los recubrimientos representan la primera liacutenea en la lucha contra la corrosioacuten Los recubrimientos
sea cual fuere su tipo no mejoran las caracteriacutesticas mecaacutenicas del elemento sin embargo
preservan su resistencia e integridad Sus objetivos pueden ser variados siendo el principal aislar
la estructura del medio agresivo con el que se encuentra en contacto (agua suelo y atmoacutesfera por
lo general) aunque tambieacuten cumplen en ocasiones fines cosmeacuteticos
19
En general se emplean bajo condiciones muy amplias como puede ser exposicioacuten
atmosfeacuterica inmersioacuten en agua estructuras enterradas elementos sometidos a quiacutemicos etc Los
recubrimientos representan la uacuteltima etapa de los procesos de fabricacioacuten de cualquier pieza
sistema o equipo siendo normalmente aplicados antes del ensamble [21] Existe por lo tanto una
amplia gama de materiales que pueden ser utilizados como recubrimientos de los metales
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos
Orgaacutenicos Los recubrimientos orgaacutenicos son poliacutemeros y resinas producidas en forma
natural o sinteacutetica generalmente formulados para aplicarse como liacutequidos que se secan o
endurecen como peliacuteculas delgadas en materiales del sustrato Por ejemplo las pinturas
Inorgaacutenicos Los recubrimientos inorgaacutenicos proporcionan acabados tersos y maacutes
duraderos los maacutes usados son el vidrio y los ceraacutemicos
Metaacutelicos Los recubrimientos metaacutelicos se aplican mediante capas finas que funcionen
como aacutenodos sacrificables que puedan ser corroiacutedos en lugar del metal subyacente Por
ejemplo Niquelado cromado galvanizado electroliacutetico inmersioacuten en caliente etc
15 Galvanoplastia
La galvanoplastia es una teacutecnica que proporciona un recubrimiento metaacutelico a una estructura que
deseamos proteger El elemento adherido modifica las propiedades superficiales del material sobre
el cual se depositan promoviendo caracteriacutesticas que son imposibles de obtener en el metal base
Es un meacutetodo que se fundamenta en la electroacutelisis para asiacute cubrir un metal base con un fina
capa de otro metal ya sea cobre niacutequel cromo oro plata con el fin de embellecerlo o impartirle
resistencia a la corrosioacuten
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten
La electrodeposicioacuten puede ser de un solo metal de capas de diferentes metales o de una aleacioacuten
(por ejemplo latoacuten) Los metales maacutes utilizados para electrodepoacutesito son en orden de importancia
zinc niacutequel estantildeo y cadmio [22] Tambieacuten es usual recubrir con oro plata y platino En el caso
de aleaciones es comuacuten la aplicacioacuten de Babbitts (aleaciones Pb-Sn) Es conveniente mencionar
que la mayoriacutea de los metales se pueden depositar por eacuteste procedimiento
20
En teacuterminos simples este proceso consiste en la inmersioacuten de la parte a recubrir en un
electrolito que contenga iones del metal a depositar para asiacute proceder al paso de una corriente
directa que permita el depoacutesito en la pieza (caacutetodo) donde los iones son repuestos por la accioacuten de
la propia corriente sobre el aacutenodo
Pero iquestcoacutemo sucede realmente el fenoacutemeno de la electrodeposicioacuten A continuacioacuten se
daraacute una explicacioacuten maacutes detallada sin embargo solo las reacciones en el caacutetodo seraacuten presentadas
ya que en general las reacciones en un aacutenodo soluble seraacuten las inversas de aquellas presentes en
el caacutetodo
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre
Suponga una solucioacuten de una sal metaacutelica tal como el sulfato de cobre (Figura 111) la sal
se disocia considerablemente formando cationes cargados positivamente y aniones cargados
negativamente como ya se ha mencionado anteriormente El agua presente se disocia un poco para
formar iones hidroacutegeno e hidroxilo Todo aacutecido sulfuacuterico presente se disocia tambieacuten en iones
hidroacutegeno y en iones ya sea HSO4- o ya sea SO4
-2 La mayor parte de estos iones estaacuten hidratados
o sea que se encuentran combinados con una o maacutes moleacuteculas de agua
Cuando se aplica un potencial a dos electrodos en una solucioacuten asiacute los cationes cargados
positivamente emigran hacia el caacutetodo y los aniones negativos se mueven hacia el aacutenodo En una
solucioacuten acidificada la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es relativamente alta y la de los iones
hidroxilo es muy baja En virtud de que los iones hidroacutegeno se mueven maacutes raacutepidamente que los
iones cobre la mayor parte de la corriente es llevada hacia el caacutetodo por los iones hidroacutegeno Sin
embargo es maacutes faacutecil descargar los iones cobre asiacute que praacutecticamente toda la corriente que se usa
en el caacutetodo es para depositar cobre
21
Es difiacutecil representar el proceso implicado en el depoacutesito real de un metal sobre el sustrato
El caacutetodo se encuentra cargado negativamente o sea tiene una concentracioacuten de electrones
relativamente alta los cuales siempre aprovechan la oportunidad de combinarse con iones cargados
positivamente para asiacute formar los aacutetomos metaacutelicos
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel
El niacutequel (Ni) es un elemento quiacutemico de nuacutemero atoacutemico 28 situado en el grupo 10 de la tabla
perioacutedica de los elementos Es un metal blanco plateado duro maleable y duacutectil que puede
presentar un intenso brillo
Como elemento aleante proporciona resistencia tenacidad y proteccioacuten contra la corrosioacuten
El uso principal del niacutequel como metal es en la electrodeposicioacuten de piezas ya que funge como
protector corrosivo y de desgaste ante otros materiales que suelen ser maacutes susceptibles
ambientalmente tal como el hierro o el acero ademaacutes de embellecer la superficie El niacutequel es un
metal muy poco activo y bajo casi todas las condiciones tiende a resistir manchas y oxidacioacuten [23]
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel
Normalmente los galvanizados de niacutequel se hacen a partir de soluciones aacutecidas variando en un
rango de pH de 15 a 60 Una excepcioacuten es el uso de un bantildeo alcalino amoniacal de niacutequel con un
pH cerca de 9 [22]
A pesar de las muchas foacutermulas de bantildeos de niacutequel casi todas ellas contienen tres componentes
esenciales
Sulfato de niacutequel Constituye la principal fuente de iones niacutequel ademaacutes de controlar los
liacutemites admisibles de densidad de corriente
Cloruro de niacutequel Suministra los iones cloruros necesarios para asegurar la corrosioacuten de
los aacutenodos de niacutequel Tambieacuten es una fuente secundaria de iones niacutequel
Aacutecido boacuterico Actuacutea como agente tampoacuten y para conservar la adhesioacuten del depoacutesito de
niacutequel
A continuacioacuten se enlistan las teacutecnicas principales que se utilizan en los depoacutesitos de niacutequel
[22] Cabe mencionar que las concentraciones exactas y las condiciones de operacioacuten pueden
modificarse pero los valores que se dan pueden servir de guiacutea
22
1 Niacutequel a bantildeo friacuteo diluido
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 09 120 16
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Fluoruro de amonio NH4F 057 65 87
2 Bantildeo caliente Tipo Watts
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 04 45 6
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
pH para operacioacuten a un alto pH 45-55 a un bajo pH 15-30
Temperatura 43deg C (110 degF)
Densidad de corriente 2-7 ampdm2 (20-65 ampft2)
3 Bantildeo de alto sulfato
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 05 70 9
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Sulfato de sodio Na2SO4 10 160 22
Aacutecido boacuterico H3BO3 025 M 15 2
pH 55
Temperatura 20-30 degC (68-86 degF)
Densidad de corriente 15-30 ampdm2 (14-28 ampft2)
4 Bantildeo brillante de niacutequel-cobalto
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
23
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 038 45 6
Sulfato de cobalto CoSO4 7H2O 011 15 2
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
Sulfato de amonio (NH4)2SO4 004 25 03
Formato de niacutequel Ni(COOH)2 067 50 67
Formaldehiacutedo HCHO (40) 25 03
pH 45
Temperatura 55 degC (131 degF)
Densidad de corriente 3 ampdm2 (28 ampft2)
1522 Condiciones de operacioacuten
El caraacutecter del depoacutesito depende de varios factores incluyendo la temperatura la densidad de
corriente el pH la distancia entre los electrodos y la agitacioacuten los cuales se ajustan para producir
recubrimientos gruesos o delgados mates o brillantes suaves o duros duacutectiles o fraacutegiles [22] Cabe
mencionar que los valores oacuteptimos para cada factor variacutean de acuerdo con el tipo del bantildeo por lo
que no es posible dar cifras determinadas En su lugar se indicaraacuten los efectos sobre el caraacutecter de
los depoacutesitos obtenidos
pH La eleccioacuten de pH es regida por el tipo de bantildeo y las propiedades que se desean en el
depoacutesito En general en bantildeos de niacutequel opaco un aumento en el pH especialmente arriba de 50
produce depoacutesitos maacutes duros probablemente como resultado de mayor precipitacioacuten
Reciacuteprocamente los depoacutesitos de bajo pH seraacuten probablemente suaves
Temperatura La ventaja de aplicar altas temperaturas depende de varios factores
incluyendo (1) maacutes elevada solubilidad del niacutequel u otras sales (2) mayor conductividad (3)
reducida polarizacioacuten en ambos electrodos y (4) aumento de eficiencia en el aacutenodo y caacutetodo
Aunque de igual manera se pueden presentar ciertas desventajas (1) aumento de la tendencia a la
precipitacioacuten de impurezas (2) la propensioacuten a coagular agentes abrillantadores (3) vaporizacioacuten
excesiva (4) produccioacuten de depoacutesitos pasivos y (5) menor potencia de depoacutesito
Densidad de corriente La densidad de corriente es dependiente de los dos factores
anteriores A temperatura ambiente especialmente en bantildeos diluidos se emplean densidades de
24
corriente de 5 a 20 Aft2 (05 a 2 Adm2) En bantildeos maacutes fuertes y calientes se pueden usar
densidades de corriente hasta de 60 Aft2 (6 Adm2)
Agitacioacuten El efecto de la agitacioacuten equivale a un aumento en concentracioacuten de niacutequel y a
una disminucioacuten de pH lo que permite densidades de corriente maacutes altas Una desventaja de la
agitacioacuten raacutepida en los bantildeos de niacutequel es que con el movimiento suben a la superficie las partiacuteculas
suspendidas lo que trae consigo un depoacutesito aacutespero
Distancia entre electrodos La elaboracioacuten de recubrimientos con espesor uniforme
depende tambieacuten de la propia disposicioacuten y espacio adecuado de las piezas de trabajo aacutenodo y
caacutetodo Por lo que entre maacutes cercana esteacute la superficie a recubrir del aacutenodo mayor seraacute el espesor
del depoacutesito obtenido
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel
Las propiedades fiacutesicas del niacutequel electrodepositado son de especial intereacutes porque hay una gran
variedad de propiedades el control de las cuales de las cuales crea aplicaciones especiales del
niacutequel por ejemplo en electroformacioacuten Las siguientes propiedades son para depoacutesitos opacos de
niacutequel [22]
Dureza Esta variacutea en los diferentes depoacutesitos de niacutequel cerca de 130 a 430 HB En el bantildeo
tipo Watts se obtuvo un miacutenimo de dureza a un pH de 3 obtenieacutendose depoacutesitos maacutes duros abajo
y arriba de este liacutemite Los depoacutesitos maacutes duros se obtienen con un alto pH
Resistencia a la tensioacuten En general la resistencia a la tensioacuten es casi paralela a la dureza
y va de 56 000 a 160 000 lbplg2 (3 900 a 11 000 kgcm2)
Ductilidad La ductilidad medida por elongacioacuten es casi inversamente proporcional a la
dureza y a la resistencia a la tensioacuten
Resistividad eleacutectrica La resistividad eleacutectrica del niacutequel depositado es influenciada por el
contenido de inclusiones como el oacutexido y el cobalto Se presenta un poco en un pH 3
Composicioacuten Los depoacutesitos de niacutequel contienen oxiacutegeno e hidroacutegeno probablemente
presentes como compuestos baacutesicos del niacutequel como Ni(OH)2 El cloruro puede estar presente en
los depoacutesitos de todos los bantildeos de cloruro Estas inclusiones indudablemente tienen influencia en
la dureza y resistencia a la tensioacuten
25
1524 Niquelado en diferentes metales base
Debido a que el niacutequel es el maacutes extensamente aplicado a numerosos metales base solo algunos
ciclos empleados seraacuten considerados en esta seccioacuten [22]
Niquelado en acero El niacutequel puede ser depositado directamente sobre acero o sobre una
capa delgada o gruesa de cobre Debido a numerosas pruebas de corrosioacuten y a lo demostrado por
la experiencia se sabe que las capas de cobre ejercen menos proteccioacuten que una densidad igual de
niacutequel por lo tanto la tendencia actual es eliminar el cobre
Niquelado en hierro vaciado La dificultad de galvanizar sobre hierro vaciado estaacute
indudablemente asociada con la presencia de carbono liberado o grafito en el hierro Si eacuteste
permanece parcialmente embebido el niacutequel no se deposita tan faacutecilmente sobre el carboacuten o
carburos como en los cristales de hierro Por ello se utiliza una capa de cobre ya que mejora la
adhesioacuten del niacutequel al hierro vaciado La limpieza catoacutedica en caacuteustico fundido es algunas veces
efectiva y la saturacioacuten en aacutecido fluorhiacutedrico puede ayudar Por buena que sea la adhesioacuten del
niacutequel al hierro vaciado no es tan buena como en el acero
Niquelado en cobre y latoacuten La praacutectica maacutes comuacuten es aplicar el niacutequel directamente al
cobre o latoacuten seguido por la acostumbrada capa de cromo Ha sido demostrado concluyentemente
que las capas de cromo aplicadas directamente al latoacuten dan menos proteccioacuten contra la corrosioacuten
que cuando se aplica primero una capa de niacutequel
Niquelado en zinc y vaciados con base de zinc Se ha confirmado por muchas pruebas que
las capas adherentes de niacutequel pueden ser aplicadas directamente a troquelados de zinc usando un
alto-sulfato en bantildeo de niacutequel El principio de este bantildeo es la adicioacuten de suficiente sulfato de sodio
para reducir la actividad del ion niacutequel y aumentar la polarizacioacuten del caacutetodo De este modo se
evita que el zinc pase a la solucioacuten precipitando niacutequel oscuro Este bantildeo de alto sulfato de niacutequel
tiene una excelente conductividad y potencia de depoacutesito
Niquelado en magnesio El galvanizado de niacutequel u otros metales en magnesio o sus
aleaciones se hace difiacutecilmente por la alta actividad del magnesio y su consecuente tendencia a
depositar niacutequel u otros metales pesados por inmersioacuten Debido a la gran diferencia de potenciales
de solucioacuten del magnesio y de metales como el cobre niacutequel o cromo eacutestos pueden galvanizarse
sobre el magnesio cuya corrosioacuten se acelera raacutepidamente si hay algunos poros o discontinuidad en
26
los recubrimientos Mientas no se pueda demostrar que pueden producirse y mantenerse
recubrimientos electroliacuteticos casi impenetrables en el magnesio y sus aleaciones es de dudarse que
estos galvanizados puedan tener una aplicacioacuten industrial
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de materiales consiste en la obtencioacuten de informacioacuten acerca de un material
bajo estudio (composicioacuten estructura morfologiacutea y otras propiedades) a partir de la interaccioacuten de
una sentildeal (eleacutectrica luminosa teacutermica etc) con una porcioacuten de dicho material Por tanto toda
caracterizacioacuten de un material supone una agresioacuten es decir una perturbacioacuten del mismo El
estudio de la respuesta del material a dicha perturbacioacuten tiene la finalidad de dar a conocer las
propiedades del mismo para asiacute predecir si seraacute uacutetil o no en una determinada aplicacioacuten
Se puede asegurar que la ayuda de las nuevas teacutecnicas de caracterizacioacuten y anaacutelisis ha sido
indispensable en el disentildeo siacutentesis y procesado de estos materiales permitiendo un cuidadoso
control de sus propiedades e incluso en muchos casos con la posibilidad de fijar de antemano
alguna de sus caracteriacutesticas
161 Dureza
La dureza es una propiedad de los materiales soacutelidos y se define como la resistencia que oponen
estos materiales a ser deformados Una buena dureza significa generalmente que el material es
resistente al rayado y al desgaste [23]
1611 Ensayo de dureza Vickers
Este ensayo usa un indentador en forma de piraacutemide hecho de diamante Figura 112 (a) El ensayo
se basa en el principio de que las impresiones hechas por este indentador tienen geometriacuteas
similares independientemente de la carga aplicada En consecuencia se aplican varias cargas
dependiendo de la dureza del material a ensayar [24] la dureza Vickers se determina entonces con
la foacutermula
HV = 1854 119865
1198632
Donde F es la fuerza aplicada en kgf y D es la diagonal de la impresioacuten hecha por el
indentador en mm El ensayo Vickers puede usarse para todos los metales porque cuenta con una
de las escalas maacutes amplias entre los ensayos de dureza
Ec 16
27
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante un ensayo de dureza
162 Rugosidad
El acabado superficial de los cuerpos puede presentar errores de forma macro y micro geomeacutetricos
auacuten las superficies consideradas como ldquomuy lisasrdquo muestran cuando son analizadas a escala
sumamente fina una compleja diversidad de particularidades geomeacutetricas [25] Por lo tanto la
rugosidad es el conjunto de irregularidades en una superficie real
1621 El perfiloacutemetro
El rugosiacutemetro o perfiloacutemetro es por mucho el equipo maacutes utilizado en la industria para medir la
rugosidad de componentes comunes El principio de operacioacuten de este equipo es simple una fina
punta en contacto con la superficie a analizar realiza un barrido controlado en liacutenea recta y las
variaciones de alturas se convierten en sentildeales eleacutectricas que son debidamente registradas
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro
28
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB)
En el microscopio electroacutenico de barrido se construyen imaacutegenes aprovechando la emisioacuten de
electrones (electrones secundarios) de una muestra cuando sobre ella incide un haz enfocado de
electrones de alta energiacutea La muestra tambieacuten emite rayos X los cuales pueden ser analizados para
obtener informacioacuten sobre la composicioacuten del material [26] Cada sentildeal del MEB es captada con
un detector apropiado
Los electrones emitidos por la interaccioacuten del haz incidente y la muestra son colectados por
los correspondientes detectores para producir una sentildeal eleacutectrica la cual se utiliza para modular la
intensidad de un haz de electrones que incide en la pantalla de un tubo de rayos catoacutedicos (TRC)
de manera que mediante un barrido sincronizado del haz incidente en la superficie de una muestra
y del haz incidente en la pantalla del TRC se produce la imagen de la muestra [26]
La emisioacuten de electrones y de rayos X de la muestra se origina por las colisiones de
electrones del haz incidente con electrones de los aacutetomos del material de la probeta tal como se
puede observar en la Figura 114
Algunas colisiones son elaacutesticas de modo que algunos electrones del haz primario pueden
salir de la superficie de la muestra sin una significativa peacuterdida de energiacutea estos son los llamados
electrones reflejados Pero la mayoriacutea de las colisiones son inelaacutesticas y entre otros efectos
originan emisioacuten de electrones de baja energiacutea conocidos como electrones secundarios
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y fotones por la
interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
29
1631 Componentes baacutesicos del MEB
Cantildeoacuten de electrones que produce un haz con energiacutea entre 5 keV y 30 keV con un diaacutemetro
efectivo entre 01 microm y 10 microm
Lentes electromagneacuteticas condensadoras que reducen el diaacutemetro del haz de manera que en
la superficie de la muestra se tiene un diaacutemetro apropiado al aumento de la imagen
Apertura final la cual controla la divergencia del haz incidente en la muestra
Una lente objetivo que enfoca el haz en la superficie de la muestra
Sistema de barrido el cual permite la construccioacuten de la imagen en la pantalla del TRC por
el barrido del haz en la superficie de la muestra
Detectores de sentildeales emitidas por la muestra (Electrones secundarios electrones
reflejados rayos X etc)
Tubo de rayos catoacutedicos para presentacioacuten de la imagen
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica es una teacutecnica relativamente nueva que permite obtener
imaacutegenes de superficies a escala molecular [27] El microscopio consta esencialmente de una punta
de Si3N4 montada sobre un fleje Con esta punta se realiza un barrido sobre la superficie de la
muestra la cual se situacutea sobre un escaacutener piezoeleacutectrico El funcionamiento del microscopio se
basa en el control por un ordenador de la fuerza ejercida por la punta durante el barrido (Ver Figura
30
116) En el modo denominado de contacto la fuerza punta-muestra se mantiene constante
mediante un sistema de retroalimentacioacuten basado en los siguientes puntos
1) La variacioacuten de la fuerza punta-muestra se traduce en movimientos verticales y horizontales
del fleje que hacen variar la direccioacuten de un rayo laacuteser incidente sobre eacutel Estos cambios en
la direccioacuten del laacuteser son recogidos por un fotodetector y analizados por un ordenador
2) Los aumentos o disminuciones de fuerza son compensados por el ordenador que enviacutea una
sentildeal al piezoeleacutectrico para que acerque o aleje la muestra a la punta
3) Tanto las variaciones del haz luminoso como los movimientos controlados del
piezoeleacutectrico son convertidos por el ordenador en un mapa topograacutefico de la superficie
Figura 116 Funcionamiento de un MFA
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX)
El meacutetodo de difraccioacuten por rayos X es una herramienta poderosa para investigar la disposicioacuten
ordenada de los aacutetomos o moleacuteculas por medio de la interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica
para producir efectos de interferencia con estructuras comparables en tamantildeo a la longitud de onda
de la radiacioacuten
31
Al igual que con los tipos de radiacioacuten electromagneacutetica la interaccioacuten entre el vector
eleacutectrico de la radiacioacuten X y los electrones de la materia que atraviesa da lugar a una dispersioacuten
Cuando los rayos X son dispersados por el entorno ordenado de un cristal tienen lugar
interferencias (constructivas y destructivas) entre los rayos dispersados ya que las distancias entre
los centros de dispersioacuten son del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la radiacioacuten
La teacutecnica de difraccioacuten de rayos X aplicada al estudio de materiales permite obtener
informacioacuten importante sobre distintos aspectos de los mismos Para recubrimientos [28] eacutesta
teacutecnica es imprescindible para determinar
Tipo de estructura (FCC HCP etc)
Esfuerzos residuales
Microdeformaciones
Tamantildeo de grano
Fases presentes
Proporcioacuten relativa de las fases
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X
El fenoacutemeno de difraccioacuten es la interferencia entre las ondas que se genera cuando hay un objeto
en su trayecto Para comprender mejor esto supoacutengase dos planos reticulares 1 y 2 tal como en la
Figura 117 de un cristal con una distancia d entre ambos converge un haz de rayos X procedente
de A con un aacutengulo de incidencia θ este haz en parte se refleja sobre el primer plano hacia F y
en parte atraviesa y se refleja sobre el plano 2 hacia F3 y asiacute sucesivamente sobre los otros planos
[29]
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X
32
En el punto D se sobrepone un rayo reflejado por el primer plano reticular y el otro del
segundo cuya diferencia de camino despueacutes de la reflexioacuten es CD-ED Si tal diferencia es un
muacuteltiplo entero n de la longitud de onda λ de la radiacioacuten X los dos rayos en D estaraacuten en
concordancia de fase y sobreponieacutendose aumentaraacute su intensidad
Por el contrario si estaacuten en discordancia tenderaacuten a anularse Para que se verifique esta
condicioacuten es necesario que las magnitudes λ d θ y n satisfagan la relacioacuten de la Ley de Bragg
nλ = 2 d sen θ
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP)
La teacutecnica electroquiacutemica llamada Resistencia a la Polarizacioacuten es el resultado de la aproximacioacuten
de bajo campo a la ecuacioacuten de Butler-Volmer y por este motivo se debe aplicar solamente cuando
exista control activacional o por transferencia de carga
Los materiales que son susceptibles de ser evaluados mediante la aplicacioacuten de la RP deben
estar inmersos en electrolitos conductores es decir que la resistividad de las soluciones no sea alta
y deben encontrarse libres de peliacuteculas resistivas
1661 Procedimiento experimental
Para realizar un estudio experimental de Resistencia a la Polarizacioacuten lo mejor es acudir a la norma
ASTM G 59-91 [32] En general los pasos a seguir de acuerdo a la norma son los siguientes
Usar un puente salino que acerque el electrodo de referencia a 2 o 3 mm de la superficie
del electrodo de trabajo
Registrar el potencial de corrosioacuten despueacutes de 5 minutos
Aplicar un potencial 30 mV maacutes negativo que el potencial registrado
Un minuto despueacutes de que se aplique el potencial se inicia un barrido con direccioacuten anoacutedica
a 06 Vh (10 mVmin) registrando el potencial y la corriente continuamente
Terminar el barrido cuando se alcanza un valor de 30 mV positivo que el potencial de
corrosioacuten
Graficar la curva de polarizacioacuten
Determinar graacuteficamente la resistencia a la polarizacioacuten como la tangente a la curva en el
origen de la graacutefica
Ec 17
33
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE)
La teacutecnica de Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica es un meacutetodo electroquiacutemico
utilizado en estudios de corrosioacuten el cual se basa en el uso de una sentildeal de corriente alterna (CA)
que es aplicada a un electrodo (metal en corrosioacuten) y determinando la respuesta correspondiente
En el procedimiento experimental comuacutenmente utilizado se aplica una sentildeal sinusoidal de
voltaje y se mide su respuesta en corriente a diferentes frecuencias aunque es posible aplicar una
pequentildea cantidad de corriente y medir la respuesta del potencial El voltaje la corriente y la
frecuencia son relacionadas por la impedancia en una forma anaacuteloga a la ley de Ohm
V = IZ
Donde Z es la impedancia del circuito A diferencia de la resistencia la impedancia de un
circuito puede depender de la frecuencia aplicada
Cuando se aplica una sentildeal de CA incluso en un sistema de corrosioacuten sencillo se comporta
de manera maacutes complicada que una sola resistencia Pues existe tambieacuten una capacitancia la de la
doble capa electroquiacutemica (Cdl) que es debida a la carga de las especies existentes en la interfase
metal-electrolito y que se encuentra presente en todos los sistemas corrosivos Ademaacutes estaacute la
resistencia de la solucioacuten (Rs) para que se le permita La combinacioacuten de estos tres componentes
proporciona un circuito equivalente simple para un metal que se corroe Dicho circuito es una
combinacioacuten de elementos eleacutectricos tales como resistores y capacitores lo que da la misma
respuesta a sentildeales eleacutectricas como el metal real que se corroe [30] El circuito simple descrito
anteriormente se muestra en la Figura 118
Figura 118 Circuito equivalente simple
Los espectros de impedancia se pueden utilizar para identificar y cuantificar las
capacitancias en el sistema y para separar diferentes resistencias por ejemplo la resistencia de la
solucioacuten y la resistencia a la polarizacioacuten A altas frecuencias la resistencia de la solucioacuten se puede
cuantificar A frecuencias maacutes bajas los diferentes tipos de procesos se producen en diferentes
Ec 18
34
escalas de tiempo (en diferentes frecuencias) y puede ser posible identificar los procesos de
difusioacuten o los fenoacutemenos de adsorcioacuten y desorcioacuten [3031]
1671 Representaciones graacuteficas
Solamente existen dos maneras de representar los valores experimentales de la espectroscopia de
impedancia electroquiacutemica
1 Diagramas de Nyquist Tipo de representacioacuten maacutes comuacuten que consiste en graficar los
valores de la impedancia real frente a los de la impedancia imaginaria Estos diagramas
permiten identificar la resistencia del electrolito la resistencia a la transferencia de carga y
la resistencia a la polarizacioacuten [3031] en la mayor parte de los casos La Figura 119
muestra un ejemplo de este tipo de diagramas
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist
2 Diagramas de Bode En este tipo de representaciones se pueden obtener dos diagramas el
moacutedulo de la impedancia y el aacutengulo de fase (Figura 120) Tambieacuten en funcioacuten de la parte
real o la imaginaria pero en escala logariacutetmica Ambos graacuteficos son particularmente uacutetiles
cuando existen constantes de tiempo con valores muy proacuteximos que no se pueden distinguir
en los diagramas de Nyquist
35
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b) Moacutedulo de
impedancia
1672 Ecuacioacuten de Brug
Como bien se sabe el objetivo de los experimentos de EIS es a menudo extraer la capacitancia de
las peliacuteculas (posiblemente como una funcioacuten del potencial aplicado) y por lo tanto para obtener
informacioacuten sobre las propiedades dieleacutectricassemi-conductoras de dichas peliacuteculas Sin embargo
en diversos sistemas la estimacioacuten de la capacitancia es difiacutecil debido a que un comportamiento
de elemento de fase constante (CPE) se observa en lugar de un comportamiento capacitivo
Brug [33] propuso una foacutermula (Ec 19) que relaciona la resistencia del electrolito (Re) y
la resistencia a la transferencia de carga (Rtc) donde es posible calcular la capacitancia contenida
en el CPE
119862 = 1198761
120572[119877119890minus1 + 119877119905119888minus1]1minus120572
120572
Donde C es la capacitancia Q es el factor de Brug Re es la resistencia del electrolito Rtc
es la resistencia a la transferencia de carga y α es la pendiente de la impedancia calculada a bajas
frecuencias
Ec 19
36
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental
21 Preparacioacuten superficial de muestras
A partir de una laacutemina de acero 1018 de 150 x 1 m se cortaron 48 placas de 10 x 2 cm cada una
con una cizalla ya que se necesitaba que cada muestra fuera perfectamente paralela para el proceso
de electrodeposicioacuten
Las placas de acero presentaban una capa de oacutexido por lo que se siguioacute la norma ASTM
G1 [34] para decapar cada muestra durante 10 minutos en HCl al 50 (Ver figura 21) para
posteriormente lavarse con agua potable y asiacute pasar al lijado con granulometriacutea 180 240 320 400
y 600 Seguido de un lavado con agua destilada para eliminar residuos de material removido y
finalizando con un bantildeo de acetona para retirar cualquier resto de humedad y grasa
Figura 21 Decapado de muestras
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos
Para los electrodepoacutesitos con influencia de un campo magneacutetico se utilizaron dos imanes de
neodimio sin embargo no teniacutean sentildealizacioacuten alguna para diferenciar sus polos ni se conociacutea el
valor del campo Entonces se utilizoacute una bruacutejula para determinar el norte y sur de cada imaacuten asiacute
como se aprecia en la Figura 22
37
Figura 22 Determinacioacuten de los polos
Y el campo magneacutetico se midioacute con un gausiacutemetro Marca RFL modelo 91 (Figura 23)
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico
23 Preparacioacuten del electrolito
Para el proceso de electrodeposicioacuten se empleoacute un bantildeo Watts estaacutendar [35] cuya composicioacuten se
presenta en la Tabla 21
38
Para la deposicioacuten electroliacutetica sin campo se preparoacute un litro de solucioacuten y para la que teniacutea
influencia de campo magneacutetico se hicieron dos litros
24 Obtencioacuten de recubrimientos
Para las electrodeposiciones se utilizoacute una fuente de poder marca Good Will Instrumets modelo
GPR-3510HD En cuya terminal negativa se conectoacute el caacutetodo (acero 1018) y en la positiva el
aacutenodo (niacutequel soacutelido Figura 24) Ambos electrodos se colocaron paralelamente cara con cara
Figura 24 Rondelas de niacutequel
Los electrodepoacutesitos de niacutequel sobre acero 1018 con y sin influencia de campo magneacutetico
se llevaron a cabo a voltaje constante siendo eacuteste de 4 V midiendo la corriente resultante al
finalizar el proceso las muestras se lavaron con agua destilada y se dejaron secar al ambiente Se
realizaron seis condiciones diferentes tal como lo muestra la Tabla 22
En el caso de los electrodepoacutesitos en presencia de campo magneacutetico se utilizaron dos
imanes de Neodimio (Valor fluctuante de 15 a 34 T) los cuales se instalaron en la cuba
electroliacutetica el polo norte cerca del aacutenodo y el polo sur del caacutetodo tal como lo muestra la Figura
25
39
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con imanes de
neodimio
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos
Las muestras electrodepositadas con y sin presencia de campo magneacutetico se fijaron a una celda
de acriacutelico con un aacuterea de exposicioacuten de 133 cm2 en dicha celda se vertioacute una solucioacuten de NaCl
al 3 en peso se colocoacute una tapa y se introdujeron un electrodo de referencia de AgAgCl y un
contra-electrodo de grafito Dicha celda se conectoacute a un potenciostato marca Bio-logic modelo
SP-150 controlado mediante una computadora de escritorio con su respectivo software El
dispositivo utilizado para las pruebas se puede ver en la Figura 26a
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el electrodo de
referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo (ET)
40
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
Se utilizoacute la teacutecnica de RP en modo potenciodinaacutemico en un intervalo de plusmn 20 mVEcorr a una
velocidad de barrido de 01667 mVs haciendo la respectiva curva de polarizacioacuten mediante la
computadora Previo a esto el electrodo de trabajo se dejoacute estabilizar en el electrolito (NaCl al 3
peso) durante 30 minutos
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica
Al teacutermino de la medicioacuten de la RP el electrodo de trabajo se dejoacute a circuito abierto durante 15
minutos Posteriormente se utilizoacute la teacutecnica EIE en un intervalo de frecuencias de 50 kHz a 50
mHz a 7 puntos por deacutecada y 10 mV de perturbacioacuten
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos
Para la caracterizacioacuten superficial las placas se cortaron en una maacutequina dobladora a una medida
de 2 x 2 cm para asiacute poder ingresar a ciertos equipos Se eligioacute una muestra de cada condicioacuten
tanto con y sin influencia de campo magneacutetico
261 Dureza
Los estudios de dureza fueron obtenidos con un microduroacutemetro de Vickers marca
Mitutoyo Colocando las placas en el portamuestras del microscopio se hizo incidir el indentador
de diamante aplicando una carga de 10 kgf durante 20 s para un acero suave [36] Este
procedimiento se realizoacute 5 veces por muestra para obtener un promedio de dureza
262 Rugosidad
Se utilizoacute un rugosiacutemetro marca Mitutoyo modelo Surftest-402 Las muestras se colocaron
en una superficie plana y sobre ella se situoacute el palpador con punta coacutenica tal como lo muestra la
Figura 27 posteriormente se calibroacute dicha punta y entonces el equipo realizoacute un pequentildeo recorrido
sobre la superficie con el que determinoacute la rugosidad de cada muestra en microm
41
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido
Para esta caracterizacioacuten de las placas se utilizoacute el Microscopio Electroacutenico de Barrido de
alto-bajo vaciacuteo Jeol JSM 6610LV con un voltaje de 20 kV y una distancia de trabajo de 10 mm
Las placas se colocaron en un portamuestras (Figura 28) y se analizaron a alto vaciacuteo Las imaacutegenes
se formaron con una sentildeal de electrones secundarios a 500 1000 y 5000X
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
Se utilizoacute un Microscopio de Fuerza Atoacutemica marca Asylum Research modelo Cypher que cuenta
con una punta de silicio que tiene una constante de 2 Nm (conforme se va desgastando va
disminuyendo su valor)
Para las muestras sin influencia de campo magneacutetico se utilizoacute el modo contacto es decir
la fuerza entre la punta y la muestra son constantes En el caso de las muestras con influencia de
campo magneacutetico que mostraron una superficie menos rugosa y maacutes faacutecil de medir
topograacuteficamente se usoacute el modo no contacto por lo que la punta no tocaba la muestra sino que
42
oscilaba a una distancia de entre 1 y 10 nm Todas las imaacutegenes se obtuvieron en un aacuterea de 10 x
10 microm a una velocidad de barrido de 10 Hz escaneando 512 liacuteneas generadas por 512 puntos en
zonas especiacuteficas
265 Difraccioacuten de rayos X
Para esta caracterizacioacuten se utilizoacute un difractoacutemetro de rayos X marca Siemens modelo D5000
Las condiciones de operacioacuten fueron las siguientes velocidad de barrido de 05 s incrementos de
0035cps 35 kV y 25 mA El intervalo de aacutengulo seleccionado fue 2θ = 30 a 120deg que es el
rango donde aparecen la mayoriacutea de los picos caracteriacutesticos del niacutequel [37]
43
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten
Para una mejor comprensioacuten de los resultados eacutestos se presentan de manera comparativa en
funcioacuten del tiempo de electrodeposicioacuten con y sin campo magneacutetico analizando dichos
recubrimientos con las teacutecnicas electroquiacutemicas planteadas en el capiacutetulo de metodologiacutea
experimental tambieacuten se realizaron anaacutelisis del comportamiento de las propiedades fiacutesicas tales
como dureza rugosidad y espesor para determinar la influencia del campo magneacutetico durante la
electrodeposicioacuten de niacutequel
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos
La Figura 31b muestra las reacciones que se llevaron a cabo en el proceso de electrodeposicioacuten
Como ya se sabe en el aacutenodo se lleva a cabo la oxidacioacuten del niacutequel y en el caacutetodo la reduccioacuten
del mismo Sin embargo en el caacutetodo tambieacuten se lleva a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten del
hidroacutegeno ya que el medio usado para la electrodeposicioacuten es aacutecido (pH = 3) por ello la eficiencia
en el caacutetodo no es del 100
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni
311 Caacutelculo de masa depositada
Para conocer la masa de Ni depositada en el acero 1018 se realizaron mediciones de peso antes y
despueacutes de que las placas fueran sometidas al proceso de electrodeposicioacuten Sin embargo como el
aacuterea de electrodepoacutesito no es la misma en todas las placas se compara la masa depositada por
centiacutemetro cuadrado tal como lo muestra la Tabla 31
44
En la tabla 31 se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten de
niacutequel la masa por unidad de aacuterea aumenta Esto se cumple para ambas temperaturas (30degC y 60degC)
y ambas condiciones (sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico) sin embargo se demostraraacute
maacutes adelante que el aumento de masa no es garantiacutea de una reduccioacuten de la velocidad de corrosioacuten
(Grafico 31) Es importante sentildealar que tanto a 30degC como a 60degC la masa de niacutequel disminuye
cuando se utiliza el campo mageacutentico sin embargo a 30degC esto no se cumple debido a que hay un
aumento de masa
312 Eficiencia en corriente
Es importante mencionar que en todos los electrodepoacutesitos la corriente final era menor que la
inicial Dicha caiacuteda de corriente se debioacute a la formacioacuten de una capa de oacutexido en el aacutenodo Figura
32 lo que ocasionoacute una disminucioacuten en la entrega de cationes (Ni2+) a la solucioacuten
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido
La eficiencia en corriente se evaluoacute con la foacutermula del Anexo 1-A y se tomoacute el valor de la
corriente inicial para dicho caacutelculo Los resultados se muestran en la Tabla 32 Mientras que
Ferreira y Colnago [12] reportaron obtener eficiencias del doble para sus peliacuteculas de cobre en
45
este caso se puede notar que la presencia del campo magneacutetico provoca una disminucioacuten en el
rendimiento del sistema
La fuente de poder se debe regular para poder otorgar los 4 V que el proceso de
electrodeposicioacuten requiere y desde el momento en que se enciende el aparato empieza a mandar
corriente Por ello ciertas eficiencias sobrepasan el 100 pues el tiempo de ajuste se excedioacute maacutes
de 50 segundos
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
En la Figura 33 se observan los resultados de la resistencia a la polarizacioacuten en funcioacuten de la
temperatura y del tiempo de exposicioacuten A 60degC se observa que el campo magneacutetico provoca una
disminucioacuten de la resistencia a la polarizacioacuten para los diferentes tiempos de electrodepoacutesito
realizados lo cual se traduce en un aumento de la velocidad de corrosioacuten de acuerdo con la
ecuacioacuten de Stern y Geary (Ec 14) Este efecto de disminucioacuten de la Rp tambieacuten se observa en
los datos a 30degC con excepcioacuten del tiempo 7 minutos
46
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal
En la Tabla 33 se presentan las variaciones de icorr y Vcorr sin campo magneacutetico y en
presencia de campo magneacutetico a 30deg y 60deg en funcioacuten del tiempo de electrodepoacutesito
En la Graacutefica 31 se puede observar que a 60degC con mayor tiempo de electrodeposicioacuten de
Ni disminuye la Vcorr Sin embargo se puede notar que con la presencia del campo las velocidades
de corrosioacuten son mayores pero respetando la tendencia antes mencionada
60degC17min CM
60degC17min SC
60degC12min CM
60degC12min SC
60degC7min CM
60degC7min SC
30degC17min CM
30degC17min SC
30degC12min CM
30degC12min SC
30degC7min CM
30degC7min SC
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Rp (Ohm cm2)
47
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de electrodeposicioacuten
La tabla 34 muestra los valores de Ecorr para ambas temperaturas (30degC y 60degC) y en las
dos condiciones ensayadas (sin campo y con campo) Sin campo magneacutetico y con excepcioacuten de
30degC y 17 min se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten el Ecorr se
desplaza hacia valores menos negativos al mismo tiempo que la Vcorr disminuye (Tabla 33) De
acuerdo con la Teoriacutea de Potencial Mixto explicada por Evans el sistema se encuentra bajo un
control tipo anoacutedico es decir que la reaccioacuten de oxidacioacuten de niacutequel se desplaza para dar un Ecorr
menos negativo al mismo tiempo que reduce la Vcorr
1198731198942+ + 2119890minus harr 119873119894deg
Sin embargo a 30degC y 17 min el sistema se encuentra bajo control catoacutedico debido a que
persiste la disminucioacuten de Vcorr ahora con un cambio en el potencial hacia valores maacutes negativos
Al comparar los valores de Ecorr sin campo magneacutetico con los de campo magneacutetico se observa que
para la temperatura 60degC los valores de Ecorr se desplazan hacia valores maacutes electronegativos
Como se discutioacute anteriormente esto se debe a un control cineacutetico tipo anoacutedico Cuando se
considera la temperatura de 30degC se observa un desplazamiento hacia valores menos negativos es
7min 12min 17min
000
002
004
006
008
010
Vco
rr (
mm
an
o)
Tiempo de electrodeposicion
60degC Sin campo
60degC Con campo
30degC Sin campo
30degC Con campo
48
decir la cineacutetica estaacute controlada por la reaccioacuten catoacutedica Diversos trabajos reportan este mismo
efecto en donde el campo magneacutetico tiene un efecto sobre la reaccioacuten de reduccioacuten de oxiacutegeno
1198742 + 21198672119874 + 4119890minus harr 4119874119867minus
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica
Como se mencionoacute previamente en el apartado 167 referente a la teacutecnica de impedancia
mediante esta teacutecnica es posible evidenciar y cuantificar el efecto que tiene la capacitancia de una
interface electroquiacutemica y asiacute proporcionar informacioacuten complementaria al estudio de corrosioacuten
Las graacuteficas 32 33 y 34 correspondientes a los diagramas de Nyquist obtenidos en los
tres diferentes tiempos de electrodeposicioacuten a 60degC con y sin influencia de campo magneacutetico
Revelan en los tres casos que el campo magneacutetico disminuye la resistencia a la transferencia de
carga (Rtc) es decir el proceso de corrosioacuten se ve favorecido tal como se pudo mostrar en los
resultados de resistencia a la polarizacioacuten De igual manera se observa una disminucioacuten en la
resistencia del electrolito (Rs) esto debido a la fuerza convectiva (visible) que ejerce el campo
magneacutetico en el electrolito el cual provoca una mejor difusioacuten de los iones dicha informacioacuten es
consistente a lo reportado por Calivar e Ispas [67]
49
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
500
1000
1500
2000 50 mHz
60degC 7min SC
60degC 7min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
1000
2000
3000
50 mHz
60degC 12min SC
60degC 12min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
50 kHz
50 mHz
Re(Z) (Ohm cm2)
50
Graacutefica 34 EIE de 60degC 17min
34 Dureza Rugosidad y Espesor
La Tabla 35 muestra que la aplicacioacuten de un campo magneacutetico durante el proceso de
electrodeposicioacuten de niacutequel provoca que la dureza disminuya lo que significa que el recubrimiento
es menos susceptible a fracturarse este resultado es similar a lo reportado por Zielinski [11] y la
disminucioacuten de fracturas en sus peliacuteculas de Co-W ante la presencia de un campo magneacutetico
Tambieacuten es importante sentildealar que la rugosidad de cada niquelado presentoacute un
empobrecimiento lo que significa que el campo magneacutetico ayuda a obtener recubrimientos maacutes
uniformes
0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000
0
3000
6000
9000
12000
15000
18000 50 mHz
60degC 17min SC
60degC 17min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
51
Los espesores fueron calculados mediante la foacutermula que aparece en el Anexo 1-B y se
puede notar que eacuteste decrece ante la presencia del campo magneacutetico Esto se puede constatar de
igual forma a partir de los datos de impedancia los cuales permitieron calcular los valores de
capacitancia a partir de la ecuacioacuten de Brug (Ec 19) cuyos resultados se muestran en la Tabla
36
Como se puede observar los valores de capacitancia con el campo magneacutetico son mayores
en un orden de magnitud que aquellos donde no existe el campo permitiendo confirmar que el
espesor maacutes delgado se encuentra con la influencia del campo
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
A continuacioacuten se muestran las imaacutegenes topograacuteficas obtenidas en el MFA Con lo cual se puede
corroborar que ocurre una disminucioacuten en la rugosidad de las peliacuteculas de niacutequel con presencia de
campo magneacutetico
52
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC-7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC-12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC-17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
36 Difraccioacuten de Rayos X
Los patrones de difraccioacuten de los recubrimientos de Ni en acero 1018 Figura 37 se caracterizan
por la presencia de los planos de la estructura cuacutebica centrada en las caras de acuerdo al PDF 03-
065-4899 [32] Esta fase cristalina estuvo presente en todos los recubrimientos
De acuerdo con lo reportado por Hu [33] la energiacutea de activacioacuten para la evolucioacuten de
hidroacutegeno es mayor en el plano (111) que en el plano (200) del Ni Dicho de otra manera en el
53
plano (200) habraacute maacutes produccioacuten de hidroacutegeno gaseoso durante el proceso de electrodeposicioacuten
de niacutequel lo que trae consigo posiblemente recubrimientos porosos
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia de campo
magneacutetico
Para los depoacutesitos en presencia de campo magneacutetico a 7 y 12min se observa una orientacioacuten
preferencial en el plano (200) sin embargo el pico a 7min es mucho mayor que el de 12
comparando estos resultados con las pruebas electroquiacutemicas y de acuerdo a los reportado por Hu
[33] esto nos lleva a suponer que en este caso el recubrimiento es maacutes poroso y delgado de acuerdo
a las medidas de espesor (Tabla 35) Para el caso de 17min con campo magneacutetico se tiene una
orientacioacuten preferencial en el plano (111) esta muestra tiene un mejor comportamiento
electroquiacutemico de acuerdo a la Figura 33 ademaacutes de acuerdo a lo reportado por Hu [33] nos lleva
a deducir que este recubrimiento es el menos poroso de los tres con campo magneacutetico Lo anterior
explica por queacute la velocidad de corrosioacuten es mayor a 7min y va disminuyendo conforme aumenta
el tiempo de electrodeposicioacuten Y tambieacuten revela la causa por la que el potencial de corrosioacuten es
maacutes negativo en presencia del campo magneacutetico La porosidad tambieacuten nos explica la razoacuten por la
cual la dureza de los recubrimientos hechos en presencia del campo magneacutetico disminuye con
respecto a aquellos realizados en ausencia del mismo
40 45 50 55 600
4000
8000
12000
16000
20000
17min SC
17min CM
12 min CM
12 min SC
7min CM
Inte
nsid
ad
(U
A)
2 (grados)
60degC-7min SC
60degC-12min SC
60degC-17min SC
60degC-7min CM
60degC-12min CM
60degC-17min CM
Ni
7min SC
(111) (200)
54
La existencia de los poros en el recubrimiento propicia un par galvaacutenico Figura 38 entre
el niquelado electroliacutetico y el acero 1018 ya que este uacuteltimo es maacutes electronegativo por
consiguiente maacutes propenso a la corrosioacuten Tambieacuten estaacute el efecto de las diferencias de aacutereas entre
aacutenodo (acero) y caacutetodo (niquelado) siendo en este caso el caacutetodo quien posee mayor aacuterea de
exposicioacuten al ambiente es el aacutenodo quien se corroeraacute maacutes faacutecil y raacutepidamente
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni
37 Microscopia Electroacutenica de Barrido
Las Figuras 39 310 y 311 muestran las imaacutegenes obtenidas en el MEB de los recubrimientos de
Ni a 60degC 7min 12min y 17min respectivamente Se aprecia una morfologiacutea maacutes uniforme con la
presencia de campo magneacutetico y las aglomeraciones de partiacuteculas metaacutelicas son mucho maacutes
grandes que sus homoacutelogos sin influencia del campo
55
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y sin influencia
de campo magneacutetico
56
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min con y sin
influencia de campo magneacutetico
57
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min con y sin
influencia de campo magneacutetico
58
Conclusiones
A partir de los resultados experimentales obtenidos en el presente trabajo se puede concluir lo
siguiente
La eficiencia de electrodepositacioacuten es funcioacuten de la pureza del aacutenodo y de la corriente
aprovechada por la reaccioacuten de reduccioacuten de hidroacutegeno
El aumento en el tiempo de electrodepositacioacuten conduce a un aumento en la masa de niacutequel
electrodepositada esto es vaacutelido para la condicioacuten sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico
sin embargo esto no garantiza la disminucioacuten de Vcorr
Sin campo magneacutetico los resultados obtenidos a 30degC y 60degC muestran que la Vcorr
disminuye conforme el tiempo de electrodepoacutesito de niacutequel aumenta Tambieacuten en ausencia del
campo las Vcorr obtenidas a 30degC son menores comparadas con las Vcorr a 60degC a excepcioacuten de
17 min
Sin campo magneacutetico se observa que la degradacioacuten del niquelado estaacute controlada por una
cineacutetica anoacutedica lo cual es vaacutelido para 30degC y para 60degC con excepcioacuten de 30degC y 17 min donde
la cineacutetica que controla es catoacutedica Asimismo a 30degC con campo magneacutetico se observa que la
cineacutetica que controla el sistema es la catoacutedica lo cual sugiere que la reaccioacuten de reduccioacuten de
oxiacutegeno ser manipulada por el campo magneacutetico
En presencia del campo magneacutetico se encontroacute que la resistencia de la solucioacuten disminuyoacute
tanto a 30degC como a 60degC debido a una fuerza adicional convectiva que provoca el campo
magneacutetico
La Vcorr es dependiente de la cantidad de masa depositada pero tambieacuten del ordenamiento
cristalino que los aacutetomos de niacutequel adquieren al momento del electrodepoacutesito
En presencia del campo magneacutetico las micrografiacuteas MEB revelan superficies con menos
rugosidad respecto a las muestras sin campo magneacutetico
A 60degC hay poca o nula contribucioacuten del campo magneacutetico mientras que a 30degC si hay una
contribucioacuten del campo pero es negativa respecto a la Vcorr
59
Bibliografiacutea
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62
Anexo 1 Caacutelculos
1-A Caacutelculo de eficiencia
En la praacutectica la corriente suministrada a un sistema no es aprovechada al 100 pues hay
peacuterdidas de corriente por diversos motivos entre otros
a) Desviacioacuten de corriente por caminos secundarios
b) Impurezas de las soluciones (las cuales dan reacciones secundarias)
c) Resistencia eleacutectrica propia del bantildeo electroliacutetico
d) Peacuterdidas por transformacioacuten de energiacutea eleacutectrica a energiacutea caloriacutefica
e) Fenoacutemenos de polarizacioacuten
Entonces se puede decir que
Eficiencia en corriente = 119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119905119890oacute119903119894119888119886
119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119904119906119898119894119899119894119904119905119903119886119889119886 119903119890119886119897x100
1-B Caacutelculo de Espesor
El meacutetodo maacutes satisfactorio para medir el espesor promedio de una capa es disolverla y determinar
el peso de la misma a partir de una muestra cuya aacuterea se conozca en el caso de este estudio se
pesaron las placas antes y despueacutes del electrodepoacutesito para determinar la masa depositada El
espesor se calcula asiacute a partir del peso y del aacuterea y de la densidad o peso especiacutefico del depoacutesito
utilizando la foacutermula
T (espesor) = 119862119882 (119901119890119904119900)
119860(aacute119903119890119886)times119863(119901119890119904119900 119890119904119901119890119888iacute119891119894119888119900)
En donde C es una constante que depende simplemente de las unidades utilizadas En
unidades meacutetricas la ecuacioacuten se transforma en
T(mm) = 10119882(119892119903)
119860(1198881198982)times119863
63
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 7min
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 12min
-0000006 -0000003 0000000 0000003
-040
-038
-036
-034
-032
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
-0000004 -0000002 0000000 0000002
-035
-034
-033
-032
-031
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
64
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 17min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 7min
-00000006 -00000003 00000000 00000003 00000006
-026
-024
-022
-020
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
-00000027 -00000018 -00000009 00000000 00000009 00000018
-028
-024
-020
-016
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
65
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 12min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 17min
-0000004 -0000002 0000000 0000002 0000004
-038
-036
-034
-032
-030
-028
-026
-024
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
-0000006 -0000003 0000000 0000003 0000006 0000009
-032
-031
-030
-029
-028
-027
-026
-025
-024
-023
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
iii
Agradecimientos
Este proyecto es el resultado del esfuerzo conjunto de todos y cada uno de los que de una u otra
manera formaron parte de mi grupo de trabajo Por lo cual agradezco
Al Dr Gonzalo Galicia Aguilar por dirigir este trabajo de tesis por sus correcciones y
consejos Sobre todo por la confianza depositada en miacute daacutendome la oportunidad de trabajar con
eacutel en la presente Tesis de Licenciatura
A la Dra Aida Liliana Medina Almazaacuten por su ayuda durante mi estancia en el ININ sin
ella no hubiera sido posible la culminacioacuten de este proyecto Tambieacuten quiero agradecerle por las
valiosas sugerencias que trajeron consigo mejoras en la calidad del trabajo
Al Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) por toda la ayuda proporcionada
para la realizacioacuten de la parte experimental
Al Dr Leandro Garciacutea Gonzaacutelez por sus aportaciones aunque pequentildeas muy significativas
para la elaboracioacuten de este trabajo
A la maestra Ruth Patricia Aragoacuten Loacutepez por su constancia y dedicacioacuten al dar todos los
conocimientos que teniacutea para la idoacutenea redaccioacuten de esta Tesis
De igual manera se agradece el apoyo financiero por medio de los proyectos CA-218 del
ININ y CFE-Conacyt 154289
Finalmente a mis profesores de corrosioacuten por haberme dado las bases teoacutericas con las que
pude desarrollar este proyecto
iv
Dedicatorias
Sin lugar a dudas dedico este triunfo a MI MADRE por ser el pilar de mi vida por no dejarme
caer por ese apoyo y amor incondicional que me ha llevado a donde estoy ahora Por soportarme
en cada momento de estreacutes y frustracioacuten Gracias porque en cada reto presentado nunca dudoacute ni
un segundo de mi inteligencia y capacidad Este trabajo es tanto miacuteo como de ella
Tambieacuten dedico este proyecto a mi novio mi compantildeero inseparable de cada jornada
estudiantil Y sin olvidar a mis pocos amigos tanto carmelos como jarochos esos que he ido
cosechando escasamente durante mi estancia en este planeta les dedico este trabajo por hacer mis
diacuteas de estudiante maacutes divertidos
Finalmente a esos excelentes profesores que marcaron mi vida durante la primaria
secundaria y preparatoria Por transmitirme sus conocimientos y siempre tener buenos deseos hacia
mi persona
v
Iacutendice Iacutendice de Tablas ix
Iacutendice de Figuras x
Nomenclatura xiii
Resumen xiv
Abstract xiv
Introduccioacuten 1
Justificacioacuten 2
Objetivo General 3
Objetivos Especiacuteficos 3
Hipoacutetesis 4
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico 5
11 Antecedentes 5
12 Generalidades 7
121 El campo magneacutetico 7
122 Definicioacuten de corrosioacuten 8
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten 8
1231 Corrosioacuten seca 8
1232 Corrosioacuten huacutemeda 9
124 Tipos de ataque por corrosioacuten 10
125 Celdas electroquiacutemicas 11
1251 Celda galvaacutenica 12
1252 Celda electroliacutetica 13
13 Principios Electroquiacutemicos 14
131 Electrolitos 14
vi
1311 Tipos de electrolitos 14
132 Ley de Ohm 15
133 Leyes de Faraday 15
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary 16
14 Control de la corrosioacuten 17
141 Proteccioacuten catoacutedica 17
142 Inhibidores de corrosioacuten 18
143 Recubrimientos protectores 18
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos 19
15 Galvanoplastia 19
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten 19
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel 21
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel 21
1522 Condiciones de operacioacuten 23
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel 24
1524 Niquelado en diferentes metales base 25
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten 26
161 Dureza 26
1611 Ensayo de dureza Vickers 26
162 Rugosidad 27
1621 El perfiloacutemetro 27
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB) 28
1631 Componentes baacutesicos del MEB 29
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA) 29
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX) 30
vii
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X 31
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP) 32
1661 Procedimiento experimental 32
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE) 33
1671 Representaciones graacuteficas 34
1672 Ecuacioacuten de Brug 35
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental 36
21 Preparacioacuten superficial de muestras 36
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos 36
23 Preparacioacuten del electrolito 37
24 Obtencioacuten de recubrimientos 38
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos 39
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal 40
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica 40
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos 40
261 Dureza 40
262 Rugosidad 40
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido 41
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 41
265 Difraccioacuten de rayos X 42
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten 43
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos 43
311 Caacutelculo de masa depositada 43
312 Eficiencia en corriente 44
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal 45
viii
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica 48
34 Dureza Rugosidad y Espesor 50
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 51
36 Difraccioacuten de Rayos X 52
Conclusiones 58
Bibliografiacutea 59
Anexo 1 Caacutelculos 62
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten 63
ix
Iacutendice de Tablas
Tabla 11 Paraacutemetros termodinaacutemicos de las celdas electroquiacutemicas 11
Tabla 12 Serie galvaacutenica 12
Tabla 13 Ejemplos de electrolitos y no electrolitos 15
Tabla 21 Composicioacuten del bantildeo Watts 37
Tabla 22 Condiciones de operacioacuten 38
Tabla 31 Masa depositada en cada centiacutemetro cuadrado 44
Tabla 32 Valores de eficiencia 45
Tabla 33 Valores de icorr y Vcorr con y sin campo magneacutetico 46
Tabla 34 Valores de potencial de corrosioacuten 48
Tabla 35 Valores de dureza rugosidad y espesor para recubrimientos de Ni con y sin
influencia de campo magneacutetico
51
Tabla 36 Valores de capacitancia para recubrimientos de Ni con y sin presencia de
campo magneacutetico
51
x
Iacutendice de Figuras
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver 5
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes
(izq) Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico
aplicado
6
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas
(izq) Con campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
6
Figura 14 El campo magneacutetico 7
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca 9
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda 10
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten 11
Figura 18 Celda galvaacutenica 13
Figura 19 Celda electroliacutetica 14
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de
sacrificio de magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
18
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre 20
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante ensayo de dureza
27
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro 27
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y de
fotones por la interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
28
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB 29
Figura 116 Funcionamiento de un MFA 30
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X 31
Figura 118 Circuito equivalente simple 33
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist 34
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b)
Moacutedulo de impedancia
35
Figura 21 Decapado de muestras 36
xi
Figura 22 Determinacioacuten de los polos 37
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico 37
Figura 24 Rondelas de niacutequel 38
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con
imanes de Neodimio
39
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el
electrodo de referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo
(ET)
39
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad 41
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB 41
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni 43
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido 44
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal 46
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC 7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC 12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC 17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia
de campo magneacutetico
53
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni 54
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y
sin influencia de campo magneacutetico
55
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min
con y sin influencia de campo magneacutetico
56
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min
con y sin influencia de campo magneacutetico
57
xii
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de
electrodeposicioacuten
47
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min 49
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min 49
Graacutefica 34 EIE de 60degC a 17min 50
xiii
Nomenclatura
Ni ndash Niacutequel
T ndash Tesla
M ndash Metal
A ndash Ampere
Ec ndash Ecuacioacuten
ER ndash Electrodo de Referencia
ET ndash Electrodo de Trabajo
EA ndash Electrodo Auxiliar
Ecorr ndash Potencial de corrosioacuten
Vcorr ndash Velocidad de corrosioacuten
Rp ndash Resistencia a la polarizacioacuten
Rtc ndash Resistencia a la transferencia de carga
Rs ndash Resistencia del electrolito o de la solucioacuten
EIE ndash Espectroscopiacutea de impedancia electroquiacutemica
MFA ndash Microscopiacutea de fuerza atoacutemica
DRX ndash Difraccioacuten de rayos X
MEB ndash Microscopiacutea electroacutenica de barrido
SC ndash Sin campo magneacutetico
CM ndash Con campo magneacutetico
HV ndash Dureza Vickers
xiv
Resumen
En este estudio se obtuvieron recubrimientos de niacutequel con y sin presencia de campo magneacutetico a
60degC a 7 12 y 17 min sobre sustratos de acero al carbono AISI 1018 a partir de una solucioacuten tipo
Watts claacutesica Las propiedades de los recubrimientos se estudiaron mediante DRX MEB MFA
duroacutemetro y rugosiacutemetro tambieacuten se estudioacute el comportamiento electroquiacutemico de las peliacuteculas
mediante RP y EIE y ademaacutes se realizaron caacutelculos de capacitancia icorr velocidad de corrosioacuten
y espesor En general el campo magneacutetico tiene una influencia negativa en las propiedades fiacutesicas
y quiacutemicas de un electrodeposito de Ni en acero AISI 1018 Los detalles son discutidos en esta
investigacioacuten
Abstract
In this study nickel coatings were obtained with and without the presence of magnetic field at 60degC
for 7 12 and 17 min on substrates of AISI 1018 carbon steel from a classical type Watts solution
The properties of the coatings were studied by XRD SEM AFM hardness tester and roughness
tester the electrochemical behavior of the films was also studied through RP and EIE and also
capacitance calculations icorr corrosion rate and thickness were made In general the magnetic
field has a negative influence on the physical and chemical properties of an electrodeposited Ni
steel AISI 1018 The details are discussed in this research
1
Introduccioacuten
En los Reactores de agua en ebullicioacuten (BWR por sus siglas en ingleacutes) la radioacutelisis del agua
produce un medio altamente oxidante [1] que genera que los materiales estructurales presenten un
elevado potencial electroquiacutemico de corrosioacuten (PEC) cuando estaacuten en contacto con el agua en el
BWR Este PEC incrementa la propensioacuten a experimentar agrietamiento por corrosioacuten bajo
esfuerzos (SCC) [2] y agrietamiento por corrosioacuten intergranular bajo esfuerzos (IGSCC) [3] en los
materiales de los componentes internos tales como acero inoxidable aleaciones base niacutequel y las
zonas afectadas por el calor (HAZ) propias de un proceso de soldadura Ademaacutes en las condiciones
de alta temperatura del reactor BWR se forma una capa de oacutexido que puede ser hematita en
condiciones de alto oxiacutegeno o magnetita en condiciones de bajo oxiacutegeno Este segundo oacutexido es
un imaacuten por naturaleza por lo que este estudio contribuiraacute ademaacutes a discernir y en dado caso a
explicar si la presencia de un oacutexido magneacutetico o de otro que no lo sea tiene una influencia en la
deposicioacuten de recubrimientos alternos para mitigar el agrietamiento por corrosioacuten bajo esfuerzos
(SCC por sus siglas en ingleacutes) de los materiales de componentes internos de reactores BWR
El electrodepoacutesito de niacutequel sobre una superficie metaacutelica se hace con el fin de proteger las
piezas de la corrosioacuten pues posee buenas propiedades anticorrosivas y buena resistencia al
desgaste Los recubrimientos de niacutequel se utilizan en numerosos sectores industriales electroacutenica
componentes eleacutectricos petroquiacutemica automocioacuten etc [4] Por ello el presente trabajo muestra la
utilizacioacuten de un campo magneacutetico de 15 a 34 T (Valor fluctuante) para la obtencioacuten de
recubrimientos de Ni en acero un acero bajo carbono especiacuteficamente el AISI 1018 Las
propiedades de dichos recubrimientos se evaluaron mediante teacutecnicas electroquiacutemicas como Rp y
EIE para determinar las velocidades de corrosioacuten de las peliacuteculas De igual manera se estudiaron
los recubrimientos mediante DRX MEB y MFA Para finalmente establecer la influencia positiva
o negativa de dicho campo magneacutetico en los procesos de deposicioacuten electroliacutetica
2
Justificacioacuten
Para mitigar el SCC de los componentes internos de los BWR [5] en la actualidad se antildeaden sales
como precursores metaacutelicos por ejemplo Na2Pt(OH)6 que se transforman en partiacuteculas metaacutelicas
al entrar en contacto con el acero debido a la diferencia de potencial entre Fe y Pt [6] adhirieacutendose
al acero estructural por medio de procesos de precipitacioacuten Estas partiacuteculas catalizan las reacciones
de recombinacioacuten de especies oxidantes disminuyendo los procesos de corrosioacuten del acero sin
embargo los catalizadores basados en Pt tienen el inconveniente de costo elevado [7]
En este sentido una posible opcioacuten es la electrodeposicioacuten de un metal sobre la superficie
que se interesa proteger pero la efectividad de estos depoacutesitos depende de la preparacioacuten de la
superficie y de aspectos teacutecnicos ya estandarizados en normativas por ejemplo la Norma ISO
1458-1974 ldquoMetallic coatingsrdquo Si bien son de los mejores meacutetodos para proteger un metal auacuten
presentan diversas anomaliacuteas que generan superficies porosas falta de cohesioacuten y peliacuteculas
amorfas lo que conlleva a altos costos de produccioacuten debido a que se debe repetir el proceso y
contaminacioacuten ambiental a causa de los reactivos quiacutemicos usados para limpiar nuevamente la
superficie a recubrir
Debido a lo anterior este estudio tiene por objeto determinar si el campo magneacutetico influye
o no en las propiedades de adherencia rugosidad y eficiencia de un electrodepoacutesito de niacutequel
Siendo los mayores beneficiarios con este trabajo investigativo el ambiente la industria
galvanoplaacutestica y la comunidad electroquiacutemica
3
Objetivo General
Evaluar el efecto de un campo magneacutetico sobre las propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero bajo carbono especiacuteficamente en un acero AISI 1018
Objetivos Especiacuteficos
1- Elaborar electrodepoacutesitos de niacutequel en acero 1018 con y sin presencia de campo magneacutetico
2- Evaluar los electrodepoacutesitos mediante corriente directa y alterna
3- Analizar los electrodepoacutesitos por medio de pruebas fiacutesicas y quiacutemicas
4- Determinar el efecto de un campo magneacutetico en un electrodepoacutesito de niacutequel
4
Hipoacutetesis
El campo magneacutetico provoca una orientacioacuten en los iones yo moleacuteculas del electrolito destinado
a la electrodeposicioacuten con ello se modifican ciertas propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero 1018
5
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico
11 Antecedentes
El efecto de un campo magneacutetico sobre la orientacioacuten de las moleacuteculas durante un proceso de
formacioacuten de un producto ha sido muy poco estudiado En la industria se encuentran algunos casos
sin que haya reportes formales A continuacioacuten se discutiraacuten algunos de ellos
El ldquoFuel Energy Saverrdquo (Figura 11) es un producto de la compantildeiacutea mexicana ldquoEnergy
Saverrdquo se trata de un inductor de resonancia magneacutetica de alta potencia que genera frecuencias
especiacuteficas la cual fractura las cadenas de hidrocarburos alineando y haciendo todas las moleacuteculas
maacutes accesibles al oxiacutegeno lo que se traduce en una mejor combustioacuten con el consiguiente ahorro
de combustible y reduccioacuten de contaminacioacuten [8] Es aplicable para cualquier tipo de combustible
(gas natural gas LP dieacutesel combustoacuteleo gasoacuteleo) y puede ser usado en todo equipo de iacutendole
industrial (hornos calderas calentadores secadores estufas)
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver
Algunas empresas del ramo automotriz (por ejemplo Mercedes Benz) estaacuten empleando el
principio del FES para que por medio un campo magneacutetico se orienten las moleacuteculas del
combustible y de oxiacutegeno antes de que eacutestas sean consumidas La explicacioacuten a este fenoacutemeno fue
dada por Kita amp Kulish [9] que consiste en lo siguiente el combustible se consumiraacute a medida que
haya oxiacutegeno disponible Si en lugar de que el oxiacutegeno se alimente de manera ldquodesordenadardquo eacuteste
pudiera ser orientado antes de entrar a la caacutemara de combustioacuten se lograriacutea un mejor consumo de
combustible-oxiacutegeno lo cual se traduce en mayor potencia en el motor y un mejor
aprovechamiento del combustible es decir habriacutea menor cantidad de contaminantes (NOx y CO2)
en el escape
6
Otro ejemplo del uso de campos magneacuteticos se puede encontrar en la formacioacuten de
calcaacutereos en intercambiadores de calor La industria que sufre de formacioacuten de dichos productos
tambieacuten ha encontrado beneficios con el uso de un campo magneacutetico colocado en el depoacutesito de
agua y se observa que los productos calcaacutereos se desvanecen tal como se aprecia en la Figura 12
La explicacioacuten a este efecto se atribuye nuevamente a la reorientacioacuten de las moleacuteculas dando como
consecuencia una estructura amorfa en lugar de una cristalina caracteriacutestica de los calcaacutereos [10]
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes (izq)
Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico aplicado
Por el lado de las investigaciones cientiacuteficas se tiene el anaacutelisis del efecto de un campo
magneacutetico de 12 T en la electrodeposicioacuten y estructura de las aleaciones cobalto-tungsteno con
ello Zielinski [11] pudo establecer que la aplicacioacuten del campo magneacutetico cambioacute la composicioacuten
quiacutemica y la morfologiacutea de las aleaciones Co-W
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas (izq) Con
campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
7
De la misma manera Ferreira y Colnago [12] estudiaron la influencia del campo magneacutetico
de una resonancia magneacutetica nuclear (RMN) durante la reaccioacuten electroliacutetica del cobre Sus
resultados fueron exitosos pues la reaccioacuten en presencia de un campo magneacutetico de 023 T tuvo
un rendimiento del doble que la de la reaccioacuten en ausencia de dicho campo
Finalmente pero no menos importantes Calivar [13] con su creacioacuten de modelos de
conveccioacuten magneacutetica en electrodeposicioacuten de peliacuteculas delgadas de cobre y tambieacuten Ispas [14]
con su estudio del efecto de un campo magneacutetico de 05 T en la electrodeposicioacuten de la aleacioacuten
Ni-Fe Ambos llegaron a la misma conclusioacuten un campo magneacutetico provoca una conveccioacuten en el
fluido el cual provoca una contribucioacuten adicional de masa-transporte
12 Generalidades
121 El campo magneacutetico
Se trata de un campo que ejerce fuerzas (denominadas magneacuteticas) sobre los materiales Es una
magnitud vectorial pero no produce ninguacuten efecto sobre cargas en reposo (como siacute lo hace el
campo eleacutectrico doacutende las acelera a traveacutes de la fuerza eleacutectrica) Sin embargo el campo magneacutetico
siacute tiene influencia sobre cargas eleacutectricas en movimiento [15]
Por ejemplo en el estado soacutelido si una carga en movimiento atraviesa un campo magneacutetico
la misma sufre la accioacuten de una fuerza magneacutetica que no modifica la velocidad pero siacute la
trayectoria Cabe mencionar que en el estado liacutequido o en el estado gaseoso el efecto del campo
magneacutetico no estaacute bien definido
Figura 14 El campo magneacutetico
8
La unidad de campo magneacutetico en el Sistema Internacional es el tesla (T) Un tesla se define
como el campo magneacutetico que ejerce una fuerza de 1 N (newton) sobre una carga de 1 C (coulomb)
que se mueve a velocidad de 1 ms dentro del campo
122 Definicioacuten de corrosioacuten
Se denomina corrosioacuten al ataque destructivo de un material generalmente metaacutelico por reaccioacuten
quiacutemica o electroquiacutemica con su medio ambiente (atmoacutesfera suelo agua etc)
La reaccioacuten baacutesica de corrosioacuten es
M Mn+ + ne-
De acuerdo con ello tambieacuten es posible definir la corrosioacuten desde un punto de vista maacutes
electroquiacutemico como el traacutensito de un metal de su forma elemental a su forma ioacutenica o combinada
con una respectiva cesioacuten de electrones [16] Dicho de otra manera el metal a traveacutes de la
corrosioacuten retorna a su forma combinada formando oacutexidos sulfuros hidroacutexidos etc Pues asiacute es
como los metales se encuentran habitualmente en la naturaleza por tratarse de formas
termodinaacutemicamente maacutes estables
El proceso de corrosioacuten es natural y espontaacuteneo y cuanto mayor es la energiacutea gastada en la
obtencioacuten del metal a partir del mineral tanto maacutes es la tendencia del metal a regresar a su forma
basal es decir mucho maacutes favorecida termodinaacutemicamente estaacute la reaccioacuten de oxidacioacuten
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten
Tradicionalmente se establecen dos procesos baacutesicos de ataques corrosivos atendiendo al medio
en el que se producen
Corrosioacuten seca
Corrosioacuten huacutemeda
1231 Corrosioacuten seca
Tiene lugar cuando el material se encuentra sometido a la accioacuten de gases principalmente a
temperaturas elevadas por lo que no se tiene un electrolito condensado Este tipo de corrosioacuten es
la que se produce en calderas sobrecalentadores reactores etc en la parte que estaacute en contacto
con los productos de combustioacuten
9
En la corrosioacuten seca los oacutexidos que se forman son de caraacutecter ioacutenico (cationes metaacutelicos y
aniones de oacutexido regularmente distribuidos) La estructura cristalina formada presenta
normalmente defectos reticulares (deficiencias ioacutenicas) a traveacutes de los cuales se produce la
difusioacuten de iones
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca
1232 Corrosioacuten huacutemeda
Tiene lugar cuando el material se encuentra en medios acuosos (Figura 16) Se produce
normalmente a temperatura ambiente o no muy elevada Es la maacutes extendida por cuanto afecta a
un sinfiacuten de elementos en los que el material es usado en tanques tuberiacuteas intercambiadores
precalentadores carcasas estructuras buques etc
Todos los procesos de corrosioacuten involucran transferencia de carga (iones y electrones) en
particular en el caso de corrosioacuten huacutemeda eacutesta se da a traveacutes de soluciones acuosas (electrolitos)
las cuales son eleacutectricamente conductoras En general el proceso requiere de tres etapas
1) Oxidacioacuten Los aacutetomos metaacutelicos aumentan su valencia al ceder electrones convirtieacutendose
en iones positivos los cuales pasan al electrolito
2) Transporte de carga Los electrones son transferidos al caacutetodo
3) Reduccioacuten Reaccioacuten donde se consumen los electrones generados en la oxidacioacuten
Este tipo de corrosioacuten es netamente electroquiacutemico ya que es un proceso en el que se llevan
a cabo reacciones de oxidacioacuten y de reduccioacuten de ahiacute que se conozca coacutemo proceso REDOX Cabe
mencionar que se puede favorecer una reaccioacuten u otra en caso de inclinarse por la oxidacioacuten
10
entonces se da la corrosioacuten y si es la reduccioacuten se puede proteger al metal por ejemplo con
electrodepoacutesitos
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda
124 Tipos de ataque por corrosioacuten
Es importante sentildealar que la corrosioacuten huacutemeda presenta dos tipos de ataque corrosioacuten uniforme y
corrosioacuten localizada
a) Corrosioacuten uniforme homogeacutenea o generalizada El ataque se extiende de forma
homogeacutenea sobre toda la superficie metaacutelica y por tanto la peacuterdida de material es
aproximadamente la misma en todos los puntos A este tipo de ataque se le identifica por
crecimiento 2D debido a que se desarrolla preferentemente a lo largo de la superficie Por
consiguiente es relativamente faacutecil estimar la vida uacutetil de los materiales metaacutelicos que lo
sufren
b) Corrosioacuten localizada El ataque no se distribuye de forma homogeacutenea localizaacutendose por
el contrario en determinadas zonas de la superficie metaacutelica A este tipo de ataque se le
conoce por crecimiento 3D debido a que se desarrolla de manera local dando preferencia a
la profundidad maacutes que a la superficie Dentro de este tipo de corrosioacuten existe a su vez
otra clasificacioacuten que se menciona a continuacioacuten
11
a Corrosioacuten por picadura
b Corrosioacuten por hendidura
c Corrosioacuten galvaacutenica
d Corrosioacuten intergranular
e Corrosioacuten bajo tensioacuten
f Corrosioacuten cavitacioacuten
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten
125 Celdas electroquiacutemicas
En corrosioacuten una celda es un dispositivo en el cual se producen reacciones quiacutemicas de oxidacioacuten
y reduccioacuten El aparato se integra de las siguientes partes sustancia que contiene iones (electrolito)
dos electrodos (caacutetodo y aacutenodo) y una conexioacuten eleacutectrica entre ambos electrodos
Existen dos tipos de celdas las electroliacuteticas que requieren un voltaje externo (fuente de
poder) y las electroquiacutemicas o galvaacutenicas que solamente necesitan un instrumento para registrar
voltaje Por lo cual se dice que las primeras son no espontaacuteneas y las segundas espontaacuteneas
Termodinaacutemicamente una reaccioacuten espontaacutenea presenta una energiacutea libre de Gibbs negativa y la
no espontaacutenea positiva tal como se aprecia en la Tabla 11
12
1251 Celda galvaacutenica
Una celda galvaacutenica (Figura 18) es aquella en la cual la energiacutea quiacutemica es convertida en energiacutea
eleacutectrica por medio de una reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea Esto se debe a que un metal es maacutes activo
y otro maacutes noble aacutenodo y caacutetodo respectivamente seguacuten la serie galvaacutenica por lo que al ser
conectados eleacutectricamente producen un flujo de electrones desde el caacutetodo al aacutenodo Dicho flujo
genera un potencial eleacutectrico que puede ser medido experimentalmente
Los requisitos para que se produzca un proceso de corrosioacuten en una pila galvaacutenica son los
siguientes
1 Dos superficies con distinto potencial electroacutedico
a Una de ellas que constituye al aacutenodo de la reaccioacuten al ceder electrones sufriraacute la
corrosioacuten Es decir aquiacute se lleva a cabo la reaccioacuten de oxidacioacuten Es el polo
negativo
Mdeg Mne- + ne-
b La otra que constituye el caacutetodo ganaraacute los electrones cedidos por el aacutenodo En
esta zona ocurriraacute la reaccioacuten de reduccioacuten Es el polo positivo
Mne- + ne- Mdeg
13
2 Un electrolito conductor ioacutenico que contiene los elementos caracteriacutesticos del medio
corrosivo Es justo aquiacute en el seno de la solucioacuten donde ocurre el transporte de materia
3 Una conexioacuten eleacutectricamente conductora entre el aacutenodo y el caacutetodo para que sea posible
el transporte de carga
Figura 18 Celda galvaacutenica
1252 Celda electroliacutetica
Las celdas electroliacuteticas no son espontaacuteneas por lo que debe aplicarse externamente un potencial
eleacutectrico para que funcionen Al proveer dicha energiacutea se fuerza a que una corriente eleacutectrica pase
por la celda con el fin de generar reacciones quiacutemicas de oacutexido-reduccioacuten en la superficie de los
electrodos de dicha celda Uno de los procesos maacutes conocidos es el electrodepoacutesito de metales
como cobre niacutequel o zinc Es importante puntualizar que aquiacute el aacutenodo estaraacute cargado
positivamente y el caacutetodo negativamente contrario a lo sucedido en las celdas galvaacutenicas
Las partes que conforman a la celda electroliacutetica son las siguientes
1 Electrolito Al igual que en las celdas galvaacutenicas se necesita de un conductor ioacutenico
2 Aacutenodo En este tipo de celdas el aacutenodo posee el polo positivo y aquiacute se lleva a cabo la
oxidacioacuten de la especie electroquiacutemica
3 Caacutetodo Eacuteste es el polo negativo y en eacutel se produce la reduccioacuten de la especie
electroquiacutemica
14
4 Fuente de energiacutea Es quien aplica la energiacutea necesaria para poder invertir el sentido
natural de la corriente dando lugar a una reaccioacuten quiacutemica opuesta a la que se produce
espontaacuteneamente en la pila
Figura 19 Celda electroliacutetica
13 Principios Electroquiacutemicos
131 Electrolitos
Todos los solutos que se disuelven en agua se agrupan en dos categoriacuteas electrolitos y no
electrolitos Un electrolito es una sustancia que cuando se disuelve en agua forma una disolucioacuten
capaz de conducir la electricidad Un no electrolito por lo tanto no conduce la corriente eleacutectrica
cuando se disuelve en agua
1311 Tipos de electrolitos
Los electrolitos se clasifican en fuertes y deacutebiles Los primeros son sustancias que estaacuten casi
completamente disociadas en la solucioacuten e incluyen soacutelidos ioacutenicos y aacutecidos fuertes Los uacuteltimos
poseen enlaces tan fuertes que muy difiacutecilmente se ionizan en solucioacuten permaneciendo la mayor
parte en forma de moleacuteculas las cuales no tienen la capacidad de transportar carga eleacutectrica como
lo hacen los iones Es importante mencionar que los electrolitos por buenos conductores de la
electricidad que puedan ser siempre tendraacuten menor capacidad para conducir la electricidad que los
materiales soacutelidos [17]
15
132 Ley de Ohm
Una de las maacutes importantes caracteriacutesticas eleacutectricas de un material soacutelido es la facilidad con que
transmite una corriente eleacutectrica La ley de Ohm relaciona la corriente (I) o sea el paso de carga
por unidad de tiempo con el voltaje aplicado (V) de la manera siguiente
V = IR
Donde R es la resistencia del material a traveacutes del cual pasa la corriente Las unidades de
V I y R son respectivamente voltios (V) amperios (A) y ohmios (Ω)
133 Leyes de Faraday
En electroquiacutemica es de suma importancia poder determinar la velocidad a la que ocurren las
reacciones de oacutexido-reduccioacuten cuando una corriente atraviesa una interfase soacutelido-electrolito pues
esto trae como consecuencia un transporte de materia resultado de la peacuterdida (oxidacioacuten) o
ganancia (reduccioacuten) de masa en el electrodo de trabajo
Cabe mencionar que las caracteriacutesticas superficiales del electrodo y las interacciones del
electrolito en dicha superficie son las que determinan la velocidad de reaccioacuten de un proceso
electroquiacutemico [18] Sin embargo hay tantos factores que pueden afectar directamente la velocidad
de reaccioacuten que por ello las leyes de Faraday solo son utilizables cuando el proceso controlador es
la transferencia de carga
Con las investigaciones del fiacutesico britaacutenico Michael Faraday (1791-1867) se descubrieron
las relaciones cuantitativas entre la cantidad de electricidad que pasa a traveacutes de una solucioacuten y la
cantidad de materia separada o precipitada en los electrodos Es decir con dichas expresiones es
posible calcular el transporte de materia en la interfase soacutelido-electrolito [16]
Primera Ley La masa de un ion liberado o depositado en un electrodo es proporcional a
la cantidad de electricidad que pase a traveacutes de la solucioacuten
Ec 11
16
m = 119868119905119875119860
119899119865
Donde PA es el peso atoacutemico la I la corriente en Amperes t el tiempo que pasa dicha carga
en segundos n el nuacutemero de equivalentes involucrados y F la constante de Faraday
Segunda Ley Las cantidades de sustancias liberadas o depositadas por una cantidad de
electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes Aplica cuando una misma
cantidad de electricidad atraviesa distintos electrolitos es decir cuando el proceso se lleva a cabo
en serie
1198981
1198901=
1198982
1198902
Donde m1 y m2 son las masas depositadas y e1 y e2 son los equivalentes quiacutemicos El
equivalente quiacutemico es la relacioacuten entre el peso atoacutemico y el nuacutemero de oxidacioacuten del compuesto
en cuestioacuten
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary
La ecuacioacuten de Stern-Geary establece la relacioacuten entre la densidad de corriente de corrosioacuten (icorr)
es decir la velocidad de corrosioacuten con la resistencia a la polarizacioacuten [19]
119894119888119900119903119903 = 119861
119877119875
119861 = 119887119886119887119888
2303 (119887119886 + 119887119888)
Donde ba y bc son las pendientes de Tafel anoacutedica y catoacutedica respectivamente
La constante B en la ecuacioacuten sirve para presentar una relacioacuten existente entre las
pendientes de Tafel Para que la ecuacioacuten de Stern-Geary sea aplicable es imperativo que exista
comportamiento tafeliano en el sistema electroquiacutemico
Ec 12
Ec 13
Ec 14
Ec 15
17
14 Control de la corrosioacuten
Baacutesicamente todos los meacutetodos que existen para lograr controlar la corrosioacuten de los materiales
metaacutelicos son intentos para interferir con el mecanismo de corrosioacuten de tal manera que se pueda
hacer que eacuteste sea lo maacutes ineficiente posible Dado que para que exista un proceso de corrosioacuten
debe formarse una pila o celda de corrosioacuten ademaacutes de una diferencia de potencial entre los
electrodos o zonas anoacutedicas y catoacutedicas la eliminacioacuten de alguno de los componentes esenciales
de la mencionada pila podriacutea llegar a detener el proceso [20]
En la praacutectica existen tres maneras de lograr lo anterior y enseguida se explicaraacute en queacute
consiste cada una Sin embargo es muy importante sentildealar que ninguacuten meacutetodo elimina la
corrosioacuten sino que todos disminuyen la velocidad de la reaccioacuten de oxidacioacuten ya que el metal
siempre buscaraacute la condicioacuten de miacutenima energiacutea que es la formacioacuten de oacutexidos e hidroacutexidos
141 Proteccioacuten catoacutedica
Se debe recordar que toda estructura propensa a corroerse presenta zonas catoacutedicas y anoacutedicas
siendo estas uacuteltimas aquellas aacutereas donde se lleva a cabo la corrosioacuten Pero si todas las aacutereas
anoacutedicas se pudieran convertir en catoacutedicas la estructura completa funcionariacutea como caacutetodo y la
corrosioacuten se disminuiriacutea considerablemente [21] Ese es el mecanismo de accioacuten de la proteccioacuten
catoacutedica y se puede llevar a cabo de dos maneras tal como lo muestra la Figura 110
Por corriente impresa La proteccioacuten se logra aplicando una corriente externa a partir de
un rectificador que suministra corriente continua de bajo voltaje El terminal positivo de la
fuente de corriente se conecta a un aacutenodo auxiliar (grafito por ejemplo) localizado a una
determinada distancia de la estructura a proteger y el terminal negativo se conecta a la
estructura metaacutelica
Por aacutenodos de sacrificio El metal a proteger se conecta a otro metal menos noble seguacuten
la serie galvaacutenica que actuaraacute como aacutenodo en la celda de corrosioacuten En ese caso la
estructura actuaraacute como caacutetodo y quedaraacute protegida por el ldquosacrificiordquo del aacutenodo que se
corroeraacute
18
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de sacrificio de
magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
142 Inhibidores de corrosioacuten
Los inhibidores son sustancias orgaacutenicas o inorgaacutenicas que se agregan a la solucioacuten corrosiva con
el fin de disminuir su poder de ataque y asiacute reducir la velocidad de corrosioacuten Se puede decir que
un inhibidor es un calmante de la corrosioacuten pues como ya se mencionoacute con anterioridad ninguacuten
meacutetodo la elimina en su totalidad
El comportamiento de los inhibidores puede ser muchas veces peligroso ya que en funcioacuten
de la concentracioacuten pueden jugar tanto el papel de inhibidores como de estimuladores de la
corrosioacuten [21]
Los hay de dos tipos aunque a veces se utiliza una combinacioacuten de ambos
1) Inhibidores anoacutedicos Actuacutean formando un compuesto insoluble el cual precipita en los
lugares afectados por la peacuterdida de materia evitando la reaccioacuten anoacutedica y por lo tanto
inhibe la corrosioacuten Ejemplos hidroacutexido soacutedico carbonato silicato y borato de sodio
ciertos fosfatos cromato soacutedico nitrito y benzoato de sodio etc
2) Inhibidores catoacutedicos Actuacutean sobre toda la superficie formando una capa o peliacutecula de
alta resistencia eleacutectrica la cual funciona como una barrera para la corriente de corrosioacuten
Ejemplos sulfato de zinc sulfato de magnesio bicarbonato de calcio etc
143 Recubrimientos protectores
Los recubrimientos representan la primera liacutenea en la lucha contra la corrosioacuten Los recubrimientos
sea cual fuere su tipo no mejoran las caracteriacutesticas mecaacutenicas del elemento sin embargo
preservan su resistencia e integridad Sus objetivos pueden ser variados siendo el principal aislar
la estructura del medio agresivo con el que se encuentra en contacto (agua suelo y atmoacutesfera por
lo general) aunque tambieacuten cumplen en ocasiones fines cosmeacuteticos
19
En general se emplean bajo condiciones muy amplias como puede ser exposicioacuten
atmosfeacuterica inmersioacuten en agua estructuras enterradas elementos sometidos a quiacutemicos etc Los
recubrimientos representan la uacuteltima etapa de los procesos de fabricacioacuten de cualquier pieza
sistema o equipo siendo normalmente aplicados antes del ensamble [21] Existe por lo tanto una
amplia gama de materiales que pueden ser utilizados como recubrimientos de los metales
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos
Orgaacutenicos Los recubrimientos orgaacutenicos son poliacutemeros y resinas producidas en forma
natural o sinteacutetica generalmente formulados para aplicarse como liacutequidos que se secan o
endurecen como peliacuteculas delgadas en materiales del sustrato Por ejemplo las pinturas
Inorgaacutenicos Los recubrimientos inorgaacutenicos proporcionan acabados tersos y maacutes
duraderos los maacutes usados son el vidrio y los ceraacutemicos
Metaacutelicos Los recubrimientos metaacutelicos se aplican mediante capas finas que funcionen
como aacutenodos sacrificables que puedan ser corroiacutedos en lugar del metal subyacente Por
ejemplo Niquelado cromado galvanizado electroliacutetico inmersioacuten en caliente etc
15 Galvanoplastia
La galvanoplastia es una teacutecnica que proporciona un recubrimiento metaacutelico a una estructura que
deseamos proteger El elemento adherido modifica las propiedades superficiales del material sobre
el cual se depositan promoviendo caracteriacutesticas que son imposibles de obtener en el metal base
Es un meacutetodo que se fundamenta en la electroacutelisis para asiacute cubrir un metal base con un fina
capa de otro metal ya sea cobre niacutequel cromo oro plata con el fin de embellecerlo o impartirle
resistencia a la corrosioacuten
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten
La electrodeposicioacuten puede ser de un solo metal de capas de diferentes metales o de una aleacioacuten
(por ejemplo latoacuten) Los metales maacutes utilizados para electrodepoacutesito son en orden de importancia
zinc niacutequel estantildeo y cadmio [22] Tambieacuten es usual recubrir con oro plata y platino En el caso
de aleaciones es comuacuten la aplicacioacuten de Babbitts (aleaciones Pb-Sn) Es conveniente mencionar
que la mayoriacutea de los metales se pueden depositar por eacuteste procedimiento
20
En teacuterminos simples este proceso consiste en la inmersioacuten de la parte a recubrir en un
electrolito que contenga iones del metal a depositar para asiacute proceder al paso de una corriente
directa que permita el depoacutesito en la pieza (caacutetodo) donde los iones son repuestos por la accioacuten de
la propia corriente sobre el aacutenodo
Pero iquestcoacutemo sucede realmente el fenoacutemeno de la electrodeposicioacuten A continuacioacuten se
daraacute una explicacioacuten maacutes detallada sin embargo solo las reacciones en el caacutetodo seraacuten presentadas
ya que en general las reacciones en un aacutenodo soluble seraacuten las inversas de aquellas presentes en
el caacutetodo
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre
Suponga una solucioacuten de una sal metaacutelica tal como el sulfato de cobre (Figura 111) la sal
se disocia considerablemente formando cationes cargados positivamente y aniones cargados
negativamente como ya se ha mencionado anteriormente El agua presente se disocia un poco para
formar iones hidroacutegeno e hidroxilo Todo aacutecido sulfuacuterico presente se disocia tambieacuten en iones
hidroacutegeno y en iones ya sea HSO4- o ya sea SO4
-2 La mayor parte de estos iones estaacuten hidratados
o sea que se encuentran combinados con una o maacutes moleacuteculas de agua
Cuando se aplica un potencial a dos electrodos en una solucioacuten asiacute los cationes cargados
positivamente emigran hacia el caacutetodo y los aniones negativos se mueven hacia el aacutenodo En una
solucioacuten acidificada la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es relativamente alta y la de los iones
hidroxilo es muy baja En virtud de que los iones hidroacutegeno se mueven maacutes raacutepidamente que los
iones cobre la mayor parte de la corriente es llevada hacia el caacutetodo por los iones hidroacutegeno Sin
embargo es maacutes faacutecil descargar los iones cobre asiacute que praacutecticamente toda la corriente que se usa
en el caacutetodo es para depositar cobre
21
Es difiacutecil representar el proceso implicado en el depoacutesito real de un metal sobre el sustrato
El caacutetodo se encuentra cargado negativamente o sea tiene una concentracioacuten de electrones
relativamente alta los cuales siempre aprovechan la oportunidad de combinarse con iones cargados
positivamente para asiacute formar los aacutetomos metaacutelicos
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel
El niacutequel (Ni) es un elemento quiacutemico de nuacutemero atoacutemico 28 situado en el grupo 10 de la tabla
perioacutedica de los elementos Es un metal blanco plateado duro maleable y duacutectil que puede
presentar un intenso brillo
Como elemento aleante proporciona resistencia tenacidad y proteccioacuten contra la corrosioacuten
El uso principal del niacutequel como metal es en la electrodeposicioacuten de piezas ya que funge como
protector corrosivo y de desgaste ante otros materiales que suelen ser maacutes susceptibles
ambientalmente tal como el hierro o el acero ademaacutes de embellecer la superficie El niacutequel es un
metal muy poco activo y bajo casi todas las condiciones tiende a resistir manchas y oxidacioacuten [23]
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel
Normalmente los galvanizados de niacutequel se hacen a partir de soluciones aacutecidas variando en un
rango de pH de 15 a 60 Una excepcioacuten es el uso de un bantildeo alcalino amoniacal de niacutequel con un
pH cerca de 9 [22]
A pesar de las muchas foacutermulas de bantildeos de niacutequel casi todas ellas contienen tres componentes
esenciales
Sulfato de niacutequel Constituye la principal fuente de iones niacutequel ademaacutes de controlar los
liacutemites admisibles de densidad de corriente
Cloruro de niacutequel Suministra los iones cloruros necesarios para asegurar la corrosioacuten de
los aacutenodos de niacutequel Tambieacuten es una fuente secundaria de iones niacutequel
Aacutecido boacuterico Actuacutea como agente tampoacuten y para conservar la adhesioacuten del depoacutesito de
niacutequel
A continuacioacuten se enlistan las teacutecnicas principales que se utilizan en los depoacutesitos de niacutequel
[22] Cabe mencionar que las concentraciones exactas y las condiciones de operacioacuten pueden
modificarse pero los valores que se dan pueden servir de guiacutea
22
1 Niacutequel a bantildeo friacuteo diluido
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 09 120 16
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Fluoruro de amonio NH4F 057 65 87
2 Bantildeo caliente Tipo Watts
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 04 45 6
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
pH para operacioacuten a un alto pH 45-55 a un bajo pH 15-30
Temperatura 43deg C (110 degF)
Densidad de corriente 2-7 ampdm2 (20-65 ampft2)
3 Bantildeo de alto sulfato
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 05 70 9
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Sulfato de sodio Na2SO4 10 160 22
Aacutecido boacuterico H3BO3 025 M 15 2
pH 55
Temperatura 20-30 degC (68-86 degF)
Densidad de corriente 15-30 ampdm2 (14-28 ampft2)
4 Bantildeo brillante de niacutequel-cobalto
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
23
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 038 45 6
Sulfato de cobalto CoSO4 7H2O 011 15 2
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
Sulfato de amonio (NH4)2SO4 004 25 03
Formato de niacutequel Ni(COOH)2 067 50 67
Formaldehiacutedo HCHO (40) 25 03
pH 45
Temperatura 55 degC (131 degF)
Densidad de corriente 3 ampdm2 (28 ampft2)
1522 Condiciones de operacioacuten
El caraacutecter del depoacutesito depende de varios factores incluyendo la temperatura la densidad de
corriente el pH la distancia entre los electrodos y la agitacioacuten los cuales se ajustan para producir
recubrimientos gruesos o delgados mates o brillantes suaves o duros duacutectiles o fraacutegiles [22] Cabe
mencionar que los valores oacuteptimos para cada factor variacutean de acuerdo con el tipo del bantildeo por lo
que no es posible dar cifras determinadas En su lugar se indicaraacuten los efectos sobre el caraacutecter de
los depoacutesitos obtenidos
pH La eleccioacuten de pH es regida por el tipo de bantildeo y las propiedades que se desean en el
depoacutesito En general en bantildeos de niacutequel opaco un aumento en el pH especialmente arriba de 50
produce depoacutesitos maacutes duros probablemente como resultado de mayor precipitacioacuten
Reciacuteprocamente los depoacutesitos de bajo pH seraacuten probablemente suaves
Temperatura La ventaja de aplicar altas temperaturas depende de varios factores
incluyendo (1) maacutes elevada solubilidad del niacutequel u otras sales (2) mayor conductividad (3)
reducida polarizacioacuten en ambos electrodos y (4) aumento de eficiencia en el aacutenodo y caacutetodo
Aunque de igual manera se pueden presentar ciertas desventajas (1) aumento de la tendencia a la
precipitacioacuten de impurezas (2) la propensioacuten a coagular agentes abrillantadores (3) vaporizacioacuten
excesiva (4) produccioacuten de depoacutesitos pasivos y (5) menor potencia de depoacutesito
Densidad de corriente La densidad de corriente es dependiente de los dos factores
anteriores A temperatura ambiente especialmente en bantildeos diluidos se emplean densidades de
24
corriente de 5 a 20 Aft2 (05 a 2 Adm2) En bantildeos maacutes fuertes y calientes se pueden usar
densidades de corriente hasta de 60 Aft2 (6 Adm2)
Agitacioacuten El efecto de la agitacioacuten equivale a un aumento en concentracioacuten de niacutequel y a
una disminucioacuten de pH lo que permite densidades de corriente maacutes altas Una desventaja de la
agitacioacuten raacutepida en los bantildeos de niacutequel es que con el movimiento suben a la superficie las partiacuteculas
suspendidas lo que trae consigo un depoacutesito aacutespero
Distancia entre electrodos La elaboracioacuten de recubrimientos con espesor uniforme
depende tambieacuten de la propia disposicioacuten y espacio adecuado de las piezas de trabajo aacutenodo y
caacutetodo Por lo que entre maacutes cercana esteacute la superficie a recubrir del aacutenodo mayor seraacute el espesor
del depoacutesito obtenido
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel
Las propiedades fiacutesicas del niacutequel electrodepositado son de especial intereacutes porque hay una gran
variedad de propiedades el control de las cuales de las cuales crea aplicaciones especiales del
niacutequel por ejemplo en electroformacioacuten Las siguientes propiedades son para depoacutesitos opacos de
niacutequel [22]
Dureza Esta variacutea en los diferentes depoacutesitos de niacutequel cerca de 130 a 430 HB En el bantildeo
tipo Watts se obtuvo un miacutenimo de dureza a un pH de 3 obtenieacutendose depoacutesitos maacutes duros abajo
y arriba de este liacutemite Los depoacutesitos maacutes duros se obtienen con un alto pH
Resistencia a la tensioacuten En general la resistencia a la tensioacuten es casi paralela a la dureza
y va de 56 000 a 160 000 lbplg2 (3 900 a 11 000 kgcm2)
Ductilidad La ductilidad medida por elongacioacuten es casi inversamente proporcional a la
dureza y a la resistencia a la tensioacuten
Resistividad eleacutectrica La resistividad eleacutectrica del niacutequel depositado es influenciada por el
contenido de inclusiones como el oacutexido y el cobalto Se presenta un poco en un pH 3
Composicioacuten Los depoacutesitos de niacutequel contienen oxiacutegeno e hidroacutegeno probablemente
presentes como compuestos baacutesicos del niacutequel como Ni(OH)2 El cloruro puede estar presente en
los depoacutesitos de todos los bantildeos de cloruro Estas inclusiones indudablemente tienen influencia en
la dureza y resistencia a la tensioacuten
25
1524 Niquelado en diferentes metales base
Debido a que el niacutequel es el maacutes extensamente aplicado a numerosos metales base solo algunos
ciclos empleados seraacuten considerados en esta seccioacuten [22]
Niquelado en acero El niacutequel puede ser depositado directamente sobre acero o sobre una
capa delgada o gruesa de cobre Debido a numerosas pruebas de corrosioacuten y a lo demostrado por
la experiencia se sabe que las capas de cobre ejercen menos proteccioacuten que una densidad igual de
niacutequel por lo tanto la tendencia actual es eliminar el cobre
Niquelado en hierro vaciado La dificultad de galvanizar sobre hierro vaciado estaacute
indudablemente asociada con la presencia de carbono liberado o grafito en el hierro Si eacuteste
permanece parcialmente embebido el niacutequel no se deposita tan faacutecilmente sobre el carboacuten o
carburos como en los cristales de hierro Por ello se utiliza una capa de cobre ya que mejora la
adhesioacuten del niacutequel al hierro vaciado La limpieza catoacutedica en caacuteustico fundido es algunas veces
efectiva y la saturacioacuten en aacutecido fluorhiacutedrico puede ayudar Por buena que sea la adhesioacuten del
niacutequel al hierro vaciado no es tan buena como en el acero
Niquelado en cobre y latoacuten La praacutectica maacutes comuacuten es aplicar el niacutequel directamente al
cobre o latoacuten seguido por la acostumbrada capa de cromo Ha sido demostrado concluyentemente
que las capas de cromo aplicadas directamente al latoacuten dan menos proteccioacuten contra la corrosioacuten
que cuando se aplica primero una capa de niacutequel
Niquelado en zinc y vaciados con base de zinc Se ha confirmado por muchas pruebas que
las capas adherentes de niacutequel pueden ser aplicadas directamente a troquelados de zinc usando un
alto-sulfato en bantildeo de niacutequel El principio de este bantildeo es la adicioacuten de suficiente sulfato de sodio
para reducir la actividad del ion niacutequel y aumentar la polarizacioacuten del caacutetodo De este modo se
evita que el zinc pase a la solucioacuten precipitando niacutequel oscuro Este bantildeo de alto sulfato de niacutequel
tiene una excelente conductividad y potencia de depoacutesito
Niquelado en magnesio El galvanizado de niacutequel u otros metales en magnesio o sus
aleaciones se hace difiacutecilmente por la alta actividad del magnesio y su consecuente tendencia a
depositar niacutequel u otros metales pesados por inmersioacuten Debido a la gran diferencia de potenciales
de solucioacuten del magnesio y de metales como el cobre niacutequel o cromo eacutestos pueden galvanizarse
sobre el magnesio cuya corrosioacuten se acelera raacutepidamente si hay algunos poros o discontinuidad en
26
los recubrimientos Mientas no se pueda demostrar que pueden producirse y mantenerse
recubrimientos electroliacuteticos casi impenetrables en el magnesio y sus aleaciones es de dudarse que
estos galvanizados puedan tener una aplicacioacuten industrial
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de materiales consiste en la obtencioacuten de informacioacuten acerca de un material
bajo estudio (composicioacuten estructura morfologiacutea y otras propiedades) a partir de la interaccioacuten de
una sentildeal (eleacutectrica luminosa teacutermica etc) con una porcioacuten de dicho material Por tanto toda
caracterizacioacuten de un material supone una agresioacuten es decir una perturbacioacuten del mismo El
estudio de la respuesta del material a dicha perturbacioacuten tiene la finalidad de dar a conocer las
propiedades del mismo para asiacute predecir si seraacute uacutetil o no en una determinada aplicacioacuten
Se puede asegurar que la ayuda de las nuevas teacutecnicas de caracterizacioacuten y anaacutelisis ha sido
indispensable en el disentildeo siacutentesis y procesado de estos materiales permitiendo un cuidadoso
control de sus propiedades e incluso en muchos casos con la posibilidad de fijar de antemano
alguna de sus caracteriacutesticas
161 Dureza
La dureza es una propiedad de los materiales soacutelidos y se define como la resistencia que oponen
estos materiales a ser deformados Una buena dureza significa generalmente que el material es
resistente al rayado y al desgaste [23]
1611 Ensayo de dureza Vickers
Este ensayo usa un indentador en forma de piraacutemide hecho de diamante Figura 112 (a) El ensayo
se basa en el principio de que las impresiones hechas por este indentador tienen geometriacuteas
similares independientemente de la carga aplicada En consecuencia se aplican varias cargas
dependiendo de la dureza del material a ensayar [24] la dureza Vickers se determina entonces con
la foacutermula
HV = 1854 119865
1198632
Donde F es la fuerza aplicada en kgf y D es la diagonal de la impresioacuten hecha por el
indentador en mm El ensayo Vickers puede usarse para todos los metales porque cuenta con una
de las escalas maacutes amplias entre los ensayos de dureza
Ec 16
27
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante un ensayo de dureza
162 Rugosidad
El acabado superficial de los cuerpos puede presentar errores de forma macro y micro geomeacutetricos
auacuten las superficies consideradas como ldquomuy lisasrdquo muestran cuando son analizadas a escala
sumamente fina una compleja diversidad de particularidades geomeacutetricas [25] Por lo tanto la
rugosidad es el conjunto de irregularidades en una superficie real
1621 El perfiloacutemetro
El rugosiacutemetro o perfiloacutemetro es por mucho el equipo maacutes utilizado en la industria para medir la
rugosidad de componentes comunes El principio de operacioacuten de este equipo es simple una fina
punta en contacto con la superficie a analizar realiza un barrido controlado en liacutenea recta y las
variaciones de alturas se convierten en sentildeales eleacutectricas que son debidamente registradas
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro
28
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB)
En el microscopio electroacutenico de barrido se construyen imaacutegenes aprovechando la emisioacuten de
electrones (electrones secundarios) de una muestra cuando sobre ella incide un haz enfocado de
electrones de alta energiacutea La muestra tambieacuten emite rayos X los cuales pueden ser analizados para
obtener informacioacuten sobre la composicioacuten del material [26] Cada sentildeal del MEB es captada con
un detector apropiado
Los electrones emitidos por la interaccioacuten del haz incidente y la muestra son colectados por
los correspondientes detectores para producir una sentildeal eleacutectrica la cual se utiliza para modular la
intensidad de un haz de electrones que incide en la pantalla de un tubo de rayos catoacutedicos (TRC)
de manera que mediante un barrido sincronizado del haz incidente en la superficie de una muestra
y del haz incidente en la pantalla del TRC se produce la imagen de la muestra [26]
La emisioacuten de electrones y de rayos X de la muestra se origina por las colisiones de
electrones del haz incidente con electrones de los aacutetomos del material de la probeta tal como se
puede observar en la Figura 114
Algunas colisiones son elaacutesticas de modo que algunos electrones del haz primario pueden
salir de la superficie de la muestra sin una significativa peacuterdida de energiacutea estos son los llamados
electrones reflejados Pero la mayoriacutea de las colisiones son inelaacutesticas y entre otros efectos
originan emisioacuten de electrones de baja energiacutea conocidos como electrones secundarios
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y fotones por la
interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
29
1631 Componentes baacutesicos del MEB
Cantildeoacuten de electrones que produce un haz con energiacutea entre 5 keV y 30 keV con un diaacutemetro
efectivo entre 01 microm y 10 microm
Lentes electromagneacuteticas condensadoras que reducen el diaacutemetro del haz de manera que en
la superficie de la muestra se tiene un diaacutemetro apropiado al aumento de la imagen
Apertura final la cual controla la divergencia del haz incidente en la muestra
Una lente objetivo que enfoca el haz en la superficie de la muestra
Sistema de barrido el cual permite la construccioacuten de la imagen en la pantalla del TRC por
el barrido del haz en la superficie de la muestra
Detectores de sentildeales emitidas por la muestra (Electrones secundarios electrones
reflejados rayos X etc)
Tubo de rayos catoacutedicos para presentacioacuten de la imagen
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica es una teacutecnica relativamente nueva que permite obtener
imaacutegenes de superficies a escala molecular [27] El microscopio consta esencialmente de una punta
de Si3N4 montada sobre un fleje Con esta punta se realiza un barrido sobre la superficie de la
muestra la cual se situacutea sobre un escaacutener piezoeleacutectrico El funcionamiento del microscopio se
basa en el control por un ordenador de la fuerza ejercida por la punta durante el barrido (Ver Figura
30
116) En el modo denominado de contacto la fuerza punta-muestra se mantiene constante
mediante un sistema de retroalimentacioacuten basado en los siguientes puntos
1) La variacioacuten de la fuerza punta-muestra se traduce en movimientos verticales y horizontales
del fleje que hacen variar la direccioacuten de un rayo laacuteser incidente sobre eacutel Estos cambios en
la direccioacuten del laacuteser son recogidos por un fotodetector y analizados por un ordenador
2) Los aumentos o disminuciones de fuerza son compensados por el ordenador que enviacutea una
sentildeal al piezoeleacutectrico para que acerque o aleje la muestra a la punta
3) Tanto las variaciones del haz luminoso como los movimientos controlados del
piezoeleacutectrico son convertidos por el ordenador en un mapa topograacutefico de la superficie
Figura 116 Funcionamiento de un MFA
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX)
El meacutetodo de difraccioacuten por rayos X es una herramienta poderosa para investigar la disposicioacuten
ordenada de los aacutetomos o moleacuteculas por medio de la interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica
para producir efectos de interferencia con estructuras comparables en tamantildeo a la longitud de onda
de la radiacioacuten
31
Al igual que con los tipos de radiacioacuten electromagneacutetica la interaccioacuten entre el vector
eleacutectrico de la radiacioacuten X y los electrones de la materia que atraviesa da lugar a una dispersioacuten
Cuando los rayos X son dispersados por el entorno ordenado de un cristal tienen lugar
interferencias (constructivas y destructivas) entre los rayos dispersados ya que las distancias entre
los centros de dispersioacuten son del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la radiacioacuten
La teacutecnica de difraccioacuten de rayos X aplicada al estudio de materiales permite obtener
informacioacuten importante sobre distintos aspectos de los mismos Para recubrimientos [28] eacutesta
teacutecnica es imprescindible para determinar
Tipo de estructura (FCC HCP etc)
Esfuerzos residuales
Microdeformaciones
Tamantildeo de grano
Fases presentes
Proporcioacuten relativa de las fases
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X
El fenoacutemeno de difraccioacuten es la interferencia entre las ondas que se genera cuando hay un objeto
en su trayecto Para comprender mejor esto supoacutengase dos planos reticulares 1 y 2 tal como en la
Figura 117 de un cristal con una distancia d entre ambos converge un haz de rayos X procedente
de A con un aacutengulo de incidencia θ este haz en parte se refleja sobre el primer plano hacia F y
en parte atraviesa y se refleja sobre el plano 2 hacia F3 y asiacute sucesivamente sobre los otros planos
[29]
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X
32
En el punto D se sobrepone un rayo reflejado por el primer plano reticular y el otro del
segundo cuya diferencia de camino despueacutes de la reflexioacuten es CD-ED Si tal diferencia es un
muacuteltiplo entero n de la longitud de onda λ de la radiacioacuten X los dos rayos en D estaraacuten en
concordancia de fase y sobreponieacutendose aumentaraacute su intensidad
Por el contrario si estaacuten en discordancia tenderaacuten a anularse Para que se verifique esta
condicioacuten es necesario que las magnitudes λ d θ y n satisfagan la relacioacuten de la Ley de Bragg
nλ = 2 d sen θ
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP)
La teacutecnica electroquiacutemica llamada Resistencia a la Polarizacioacuten es el resultado de la aproximacioacuten
de bajo campo a la ecuacioacuten de Butler-Volmer y por este motivo se debe aplicar solamente cuando
exista control activacional o por transferencia de carga
Los materiales que son susceptibles de ser evaluados mediante la aplicacioacuten de la RP deben
estar inmersos en electrolitos conductores es decir que la resistividad de las soluciones no sea alta
y deben encontrarse libres de peliacuteculas resistivas
1661 Procedimiento experimental
Para realizar un estudio experimental de Resistencia a la Polarizacioacuten lo mejor es acudir a la norma
ASTM G 59-91 [32] En general los pasos a seguir de acuerdo a la norma son los siguientes
Usar un puente salino que acerque el electrodo de referencia a 2 o 3 mm de la superficie
del electrodo de trabajo
Registrar el potencial de corrosioacuten despueacutes de 5 minutos
Aplicar un potencial 30 mV maacutes negativo que el potencial registrado
Un minuto despueacutes de que se aplique el potencial se inicia un barrido con direccioacuten anoacutedica
a 06 Vh (10 mVmin) registrando el potencial y la corriente continuamente
Terminar el barrido cuando se alcanza un valor de 30 mV positivo que el potencial de
corrosioacuten
Graficar la curva de polarizacioacuten
Determinar graacuteficamente la resistencia a la polarizacioacuten como la tangente a la curva en el
origen de la graacutefica
Ec 17
33
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE)
La teacutecnica de Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica es un meacutetodo electroquiacutemico
utilizado en estudios de corrosioacuten el cual se basa en el uso de una sentildeal de corriente alterna (CA)
que es aplicada a un electrodo (metal en corrosioacuten) y determinando la respuesta correspondiente
En el procedimiento experimental comuacutenmente utilizado se aplica una sentildeal sinusoidal de
voltaje y se mide su respuesta en corriente a diferentes frecuencias aunque es posible aplicar una
pequentildea cantidad de corriente y medir la respuesta del potencial El voltaje la corriente y la
frecuencia son relacionadas por la impedancia en una forma anaacuteloga a la ley de Ohm
V = IZ
Donde Z es la impedancia del circuito A diferencia de la resistencia la impedancia de un
circuito puede depender de la frecuencia aplicada
Cuando se aplica una sentildeal de CA incluso en un sistema de corrosioacuten sencillo se comporta
de manera maacutes complicada que una sola resistencia Pues existe tambieacuten una capacitancia la de la
doble capa electroquiacutemica (Cdl) que es debida a la carga de las especies existentes en la interfase
metal-electrolito y que se encuentra presente en todos los sistemas corrosivos Ademaacutes estaacute la
resistencia de la solucioacuten (Rs) para que se le permita La combinacioacuten de estos tres componentes
proporciona un circuito equivalente simple para un metal que se corroe Dicho circuito es una
combinacioacuten de elementos eleacutectricos tales como resistores y capacitores lo que da la misma
respuesta a sentildeales eleacutectricas como el metal real que se corroe [30] El circuito simple descrito
anteriormente se muestra en la Figura 118
Figura 118 Circuito equivalente simple
Los espectros de impedancia se pueden utilizar para identificar y cuantificar las
capacitancias en el sistema y para separar diferentes resistencias por ejemplo la resistencia de la
solucioacuten y la resistencia a la polarizacioacuten A altas frecuencias la resistencia de la solucioacuten se puede
cuantificar A frecuencias maacutes bajas los diferentes tipos de procesos se producen en diferentes
Ec 18
34
escalas de tiempo (en diferentes frecuencias) y puede ser posible identificar los procesos de
difusioacuten o los fenoacutemenos de adsorcioacuten y desorcioacuten [3031]
1671 Representaciones graacuteficas
Solamente existen dos maneras de representar los valores experimentales de la espectroscopia de
impedancia electroquiacutemica
1 Diagramas de Nyquist Tipo de representacioacuten maacutes comuacuten que consiste en graficar los
valores de la impedancia real frente a los de la impedancia imaginaria Estos diagramas
permiten identificar la resistencia del electrolito la resistencia a la transferencia de carga y
la resistencia a la polarizacioacuten [3031] en la mayor parte de los casos La Figura 119
muestra un ejemplo de este tipo de diagramas
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist
2 Diagramas de Bode En este tipo de representaciones se pueden obtener dos diagramas el
moacutedulo de la impedancia y el aacutengulo de fase (Figura 120) Tambieacuten en funcioacuten de la parte
real o la imaginaria pero en escala logariacutetmica Ambos graacuteficos son particularmente uacutetiles
cuando existen constantes de tiempo con valores muy proacuteximos que no se pueden distinguir
en los diagramas de Nyquist
35
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b) Moacutedulo de
impedancia
1672 Ecuacioacuten de Brug
Como bien se sabe el objetivo de los experimentos de EIS es a menudo extraer la capacitancia de
las peliacuteculas (posiblemente como una funcioacuten del potencial aplicado) y por lo tanto para obtener
informacioacuten sobre las propiedades dieleacutectricassemi-conductoras de dichas peliacuteculas Sin embargo
en diversos sistemas la estimacioacuten de la capacitancia es difiacutecil debido a que un comportamiento
de elemento de fase constante (CPE) se observa en lugar de un comportamiento capacitivo
Brug [33] propuso una foacutermula (Ec 19) que relaciona la resistencia del electrolito (Re) y
la resistencia a la transferencia de carga (Rtc) donde es posible calcular la capacitancia contenida
en el CPE
119862 = 1198761
120572[119877119890minus1 + 119877119905119888minus1]1minus120572
120572
Donde C es la capacitancia Q es el factor de Brug Re es la resistencia del electrolito Rtc
es la resistencia a la transferencia de carga y α es la pendiente de la impedancia calculada a bajas
frecuencias
Ec 19
36
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental
21 Preparacioacuten superficial de muestras
A partir de una laacutemina de acero 1018 de 150 x 1 m se cortaron 48 placas de 10 x 2 cm cada una
con una cizalla ya que se necesitaba que cada muestra fuera perfectamente paralela para el proceso
de electrodeposicioacuten
Las placas de acero presentaban una capa de oacutexido por lo que se siguioacute la norma ASTM
G1 [34] para decapar cada muestra durante 10 minutos en HCl al 50 (Ver figura 21) para
posteriormente lavarse con agua potable y asiacute pasar al lijado con granulometriacutea 180 240 320 400
y 600 Seguido de un lavado con agua destilada para eliminar residuos de material removido y
finalizando con un bantildeo de acetona para retirar cualquier resto de humedad y grasa
Figura 21 Decapado de muestras
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos
Para los electrodepoacutesitos con influencia de un campo magneacutetico se utilizaron dos imanes de
neodimio sin embargo no teniacutean sentildealizacioacuten alguna para diferenciar sus polos ni se conociacutea el
valor del campo Entonces se utilizoacute una bruacutejula para determinar el norte y sur de cada imaacuten asiacute
como se aprecia en la Figura 22
37
Figura 22 Determinacioacuten de los polos
Y el campo magneacutetico se midioacute con un gausiacutemetro Marca RFL modelo 91 (Figura 23)
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico
23 Preparacioacuten del electrolito
Para el proceso de electrodeposicioacuten se empleoacute un bantildeo Watts estaacutendar [35] cuya composicioacuten se
presenta en la Tabla 21
38
Para la deposicioacuten electroliacutetica sin campo se preparoacute un litro de solucioacuten y para la que teniacutea
influencia de campo magneacutetico se hicieron dos litros
24 Obtencioacuten de recubrimientos
Para las electrodeposiciones se utilizoacute una fuente de poder marca Good Will Instrumets modelo
GPR-3510HD En cuya terminal negativa se conectoacute el caacutetodo (acero 1018) y en la positiva el
aacutenodo (niacutequel soacutelido Figura 24) Ambos electrodos se colocaron paralelamente cara con cara
Figura 24 Rondelas de niacutequel
Los electrodepoacutesitos de niacutequel sobre acero 1018 con y sin influencia de campo magneacutetico
se llevaron a cabo a voltaje constante siendo eacuteste de 4 V midiendo la corriente resultante al
finalizar el proceso las muestras se lavaron con agua destilada y se dejaron secar al ambiente Se
realizaron seis condiciones diferentes tal como lo muestra la Tabla 22
En el caso de los electrodepoacutesitos en presencia de campo magneacutetico se utilizaron dos
imanes de Neodimio (Valor fluctuante de 15 a 34 T) los cuales se instalaron en la cuba
electroliacutetica el polo norte cerca del aacutenodo y el polo sur del caacutetodo tal como lo muestra la Figura
25
39
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con imanes de
neodimio
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos
Las muestras electrodepositadas con y sin presencia de campo magneacutetico se fijaron a una celda
de acriacutelico con un aacuterea de exposicioacuten de 133 cm2 en dicha celda se vertioacute una solucioacuten de NaCl
al 3 en peso se colocoacute una tapa y se introdujeron un electrodo de referencia de AgAgCl y un
contra-electrodo de grafito Dicha celda se conectoacute a un potenciostato marca Bio-logic modelo
SP-150 controlado mediante una computadora de escritorio con su respectivo software El
dispositivo utilizado para las pruebas se puede ver en la Figura 26a
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el electrodo de
referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo (ET)
40
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
Se utilizoacute la teacutecnica de RP en modo potenciodinaacutemico en un intervalo de plusmn 20 mVEcorr a una
velocidad de barrido de 01667 mVs haciendo la respectiva curva de polarizacioacuten mediante la
computadora Previo a esto el electrodo de trabajo se dejoacute estabilizar en el electrolito (NaCl al 3
peso) durante 30 minutos
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica
Al teacutermino de la medicioacuten de la RP el electrodo de trabajo se dejoacute a circuito abierto durante 15
minutos Posteriormente se utilizoacute la teacutecnica EIE en un intervalo de frecuencias de 50 kHz a 50
mHz a 7 puntos por deacutecada y 10 mV de perturbacioacuten
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos
Para la caracterizacioacuten superficial las placas se cortaron en una maacutequina dobladora a una medida
de 2 x 2 cm para asiacute poder ingresar a ciertos equipos Se eligioacute una muestra de cada condicioacuten
tanto con y sin influencia de campo magneacutetico
261 Dureza
Los estudios de dureza fueron obtenidos con un microduroacutemetro de Vickers marca
Mitutoyo Colocando las placas en el portamuestras del microscopio se hizo incidir el indentador
de diamante aplicando una carga de 10 kgf durante 20 s para un acero suave [36] Este
procedimiento se realizoacute 5 veces por muestra para obtener un promedio de dureza
262 Rugosidad
Se utilizoacute un rugosiacutemetro marca Mitutoyo modelo Surftest-402 Las muestras se colocaron
en una superficie plana y sobre ella se situoacute el palpador con punta coacutenica tal como lo muestra la
Figura 27 posteriormente se calibroacute dicha punta y entonces el equipo realizoacute un pequentildeo recorrido
sobre la superficie con el que determinoacute la rugosidad de cada muestra en microm
41
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido
Para esta caracterizacioacuten de las placas se utilizoacute el Microscopio Electroacutenico de Barrido de
alto-bajo vaciacuteo Jeol JSM 6610LV con un voltaje de 20 kV y una distancia de trabajo de 10 mm
Las placas se colocaron en un portamuestras (Figura 28) y se analizaron a alto vaciacuteo Las imaacutegenes
se formaron con una sentildeal de electrones secundarios a 500 1000 y 5000X
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
Se utilizoacute un Microscopio de Fuerza Atoacutemica marca Asylum Research modelo Cypher que cuenta
con una punta de silicio que tiene una constante de 2 Nm (conforme se va desgastando va
disminuyendo su valor)
Para las muestras sin influencia de campo magneacutetico se utilizoacute el modo contacto es decir
la fuerza entre la punta y la muestra son constantes En el caso de las muestras con influencia de
campo magneacutetico que mostraron una superficie menos rugosa y maacutes faacutecil de medir
topograacuteficamente se usoacute el modo no contacto por lo que la punta no tocaba la muestra sino que
42
oscilaba a una distancia de entre 1 y 10 nm Todas las imaacutegenes se obtuvieron en un aacuterea de 10 x
10 microm a una velocidad de barrido de 10 Hz escaneando 512 liacuteneas generadas por 512 puntos en
zonas especiacuteficas
265 Difraccioacuten de rayos X
Para esta caracterizacioacuten se utilizoacute un difractoacutemetro de rayos X marca Siemens modelo D5000
Las condiciones de operacioacuten fueron las siguientes velocidad de barrido de 05 s incrementos de
0035cps 35 kV y 25 mA El intervalo de aacutengulo seleccionado fue 2θ = 30 a 120deg que es el
rango donde aparecen la mayoriacutea de los picos caracteriacutesticos del niacutequel [37]
43
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten
Para una mejor comprensioacuten de los resultados eacutestos se presentan de manera comparativa en
funcioacuten del tiempo de electrodeposicioacuten con y sin campo magneacutetico analizando dichos
recubrimientos con las teacutecnicas electroquiacutemicas planteadas en el capiacutetulo de metodologiacutea
experimental tambieacuten se realizaron anaacutelisis del comportamiento de las propiedades fiacutesicas tales
como dureza rugosidad y espesor para determinar la influencia del campo magneacutetico durante la
electrodeposicioacuten de niacutequel
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos
La Figura 31b muestra las reacciones que se llevaron a cabo en el proceso de electrodeposicioacuten
Como ya se sabe en el aacutenodo se lleva a cabo la oxidacioacuten del niacutequel y en el caacutetodo la reduccioacuten
del mismo Sin embargo en el caacutetodo tambieacuten se lleva a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten del
hidroacutegeno ya que el medio usado para la electrodeposicioacuten es aacutecido (pH = 3) por ello la eficiencia
en el caacutetodo no es del 100
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni
311 Caacutelculo de masa depositada
Para conocer la masa de Ni depositada en el acero 1018 se realizaron mediciones de peso antes y
despueacutes de que las placas fueran sometidas al proceso de electrodeposicioacuten Sin embargo como el
aacuterea de electrodepoacutesito no es la misma en todas las placas se compara la masa depositada por
centiacutemetro cuadrado tal como lo muestra la Tabla 31
44
En la tabla 31 se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten de
niacutequel la masa por unidad de aacuterea aumenta Esto se cumple para ambas temperaturas (30degC y 60degC)
y ambas condiciones (sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico) sin embargo se demostraraacute
maacutes adelante que el aumento de masa no es garantiacutea de una reduccioacuten de la velocidad de corrosioacuten
(Grafico 31) Es importante sentildealar que tanto a 30degC como a 60degC la masa de niacutequel disminuye
cuando se utiliza el campo mageacutentico sin embargo a 30degC esto no se cumple debido a que hay un
aumento de masa
312 Eficiencia en corriente
Es importante mencionar que en todos los electrodepoacutesitos la corriente final era menor que la
inicial Dicha caiacuteda de corriente se debioacute a la formacioacuten de una capa de oacutexido en el aacutenodo Figura
32 lo que ocasionoacute una disminucioacuten en la entrega de cationes (Ni2+) a la solucioacuten
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido
La eficiencia en corriente se evaluoacute con la foacutermula del Anexo 1-A y se tomoacute el valor de la
corriente inicial para dicho caacutelculo Los resultados se muestran en la Tabla 32 Mientras que
Ferreira y Colnago [12] reportaron obtener eficiencias del doble para sus peliacuteculas de cobre en
45
este caso se puede notar que la presencia del campo magneacutetico provoca una disminucioacuten en el
rendimiento del sistema
La fuente de poder se debe regular para poder otorgar los 4 V que el proceso de
electrodeposicioacuten requiere y desde el momento en que se enciende el aparato empieza a mandar
corriente Por ello ciertas eficiencias sobrepasan el 100 pues el tiempo de ajuste se excedioacute maacutes
de 50 segundos
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
En la Figura 33 se observan los resultados de la resistencia a la polarizacioacuten en funcioacuten de la
temperatura y del tiempo de exposicioacuten A 60degC se observa que el campo magneacutetico provoca una
disminucioacuten de la resistencia a la polarizacioacuten para los diferentes tiempos de electrodepoacutesito
realizados lo cual se traduce en un aumento de la velocidad de corrosioacuten de acuerdo con la
ecuacioacuten de Stern y Geary (Ec 14) Este efecto de disminucioacuten de la Rp tambieacuten se observa en
los datos a 30degC con excepcioacuten del tiempo 7 minutos
46
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal
En la Tabla 33 se presentan las variaciones de icorr y Vcorr sin campo magneacutetico y en
presencia de campo magneacutetico a 30deg y 60deg en funcioacuten del tiempo de electrodepoacutesito
En la Graacutefica 31 se puede observar que a 60degC con mayor tiempo de electrodeposicioacuten de
Ni disminuye la Vcorr Sin embargo se puede notar que con la presencia del campo las velocidades
de corrosioacuten son mayores pero respetando la tendencia antes mencionada
60degC17min CM
60degC17min SC
60degC12min CM
60degC12min SC
60degC7min CM
60degC7min SC
30degC17min CM
30degC17min SC
30degC12min CM
30degC12min SC
30degC7min CM
30degC7min SC
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Rp (Ohm cm2)
47
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de electrodeposicioacuten
La tabla 34 muestra los valores de Ecorr para ambas temperaturas (30degC y 60degC) y en las
dos condiciones ensayadas (sin campo y con campo) Sin campo magneacutetico y con excepcioacuten de
30degC y 17 min se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten el Ecorr se
desplaza hacia valores menos negativos al mismo tiempo que la Vcorr disminuye (Tabla 33) De
acuerdo con la Teoriacutea de Potencial Mixto explicada por Evans el sistema se encuentra bajo un
control tipo anoacutedico es decir que la reaccioacuten de oxidacioacuten de niacutequel se desplaza para dar un Ecorr
menos negativo al mismo tiempo que reduce la Vcorr
1198731198942+ + 2119890minus harr 119873119894deg
Sin embargo a 30degC y 17 min el sistema se encuentra bajo control catoacutedico debido a que
persiste la disminucioacuten de Vcorr ahora con un cambio en el potencial hacia valores maacutes negativos
Al comparar los valores de Ecorr sin campo magneacutetico con los de campo magneacutetico se observa que
para la temperatura 60degC los valores de Ecorr se desplazan hacia valores maacutes electronegativos
Como se discutioacute anteriormente esto se debe a un control cineacutetico tipo anoacutedico Cuando se
considera la temperatura de 30degC se observa un desplazamiento hacia valores menos negativos es
7min 12min 17min
000
002
004
006
008
010
Vco
rr (
mm
an
o)
Tiempo de electrodeposicion
60degC Sin campo
60degC Con campo
30degC Sin campo
30degC Con campo
48
decir la cineacutetica estaacute controlada por la reaccioacuten catoacutedica Diversos trabajos reportan este mismo
efecto en donde el campo magneacutetico tiene un efecto sobre la reaccioacuten de reduccioacuten de oxiacutegeno
1198742 + 21198672119874 + 4119890minus harr 4119874119867minus
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica
Como se mencionoacute previamente en el apartado 167 referente a la teacutecnica de impedancia
mediante esta teacutecnica es posible evidenciar y cuantificar el efecto que tiene la capacitancia de una
interface electroquiacutemica y asiacute proporcionar informacioacuten complementaria al estudio de corrosioacuten
Las graacuteficas 32 33 y 34 correspondientes a los diagramas de Nyquist obtenidos en los
tres diferentes tiempos de electrodeposicioacuten a 60degC con y sin influencia de campo magneacutetico
Revelan en los tres casos que el campo magneacutetico disminuye la resistencia a la transferencia de
carga (Rtc) es decir el proceso de corrosioacuten se ve favorecido tal como se pudo mostrar en los
resultados de resistencia a la polarizacioacuten De igual manera se observa una disminucioacuten en la
resistencia del electrolito (Rs) esto debido a la fuerza convectiva (visible) que ejerce el campo
magneacutetico en el electrolito el cual provoca una mejor difusioacuten de los iones dicha informacioacuten es
consistente a lo reportado por Calivar e Ispas [67]
49
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
500
1000
1500
2000 50 mHz
60degC 7min SC
60degC 7min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
1000
2000
3000
50 mHz
60degC 12min SC
60degC 12min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
50 kHz
50 mHz
Re(Z) (Ohm cm2)
50
Graacutefica 34 EIE de 60degC 17min
34 Dureza Rugosidad y Espesor
La Tabla 35 muestra que la aplicacioacuten de un campo magneacutetico durante el proceso de
electrodeposicioacuten de niacutequel provoca que la dureza disminuya lo que significa que el recubrimiento
es menos susceptible a fracturarse este resultado es similar a lo reportado por Zielinski [11] y la
disminucioacuten de fracturas en sus peliacuteculas de Co-W ante la presencia de un campo magneacutetico
Tambieacuten es importante sentildealar que la rugosidad de cada niquelado presentoacute un
empobrecimiento lo que significa que el campo magneacutetico ayuda a obtener recubrimientos maacutes
uniformes
0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000
0
3000
6000
9000
12000
15000
18000 50 mHz
60degC 17min SC
60degC 17min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
51
Los espesores fueron calculados mediante la foacutermula que aparece en el Anexo 1-B y se
puede notar que eacuteste decrece ante la presencia del campo magneacutetico Esto se puede constatar de
igual forma a partir de los datos de impedancia los cuales permitieron calcular los valores de
capacitancia a partir de la ecuacioacuten de Brug (Ec 19) cuyos resultados se muestran en la Tabla
36
Como se puede observar los valores de capacitancia con el campo magneacutetico son mayores
en un orden de magnitud que aquellos donde no existe el campo permitiendo confirmar que el
espesor maacutes delgado se encuentra con la influencia del campo
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
A continuacioacuten se muestran las imaacutegenes topograacuteficas obtenidas en el MFA Con lo cual se puede
corroborar que ocurre una disminucioacuten en la rugosidad de las peliacuteculas de niacutequel con presencia de
campo magneacutetico
52
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC-7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC-12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC-17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
36 Difraccioacuten de Rayos X
Los patrones de difraccioacuten de los recubrimientos de Ni en acero 1018 Figura 37 se caracterizan
por la presencia de los planos de la estructura cuacutebica centrada en las caras de acuerdo al PDF 03-
065-4899 [32] Esta fase cristalina estuvo presente en todos los recubrimientos
De acuerdo con lo reportado por Hu [33] la energiacutea de activacioacuten para la evolucioacuten de
hidroacutegeno es mayor en el plano (111) que en el plano (200) del Ni Dicho de otra manera en el
53
plano (200) habraacute maacutes produccioacuten de hidroacutegeno gaseoso durante el proceso de electrodeposicioacuten
de niacutequel lo que trae consigo posiblemente recubrimientos porosos
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia de campo
magneacutetico
Para los depoacutesitos en presencia de campo magneacutetico a 7 y 12min se observa una orientacioacuten
preferencial en el plano (200) sin embargo el pico a 7min es mucho mayor que el de 12
comparando estos resultados con las pruebas electroquiacutemicas y de acuerdo a los reportado por Hu
[33] esto nos lleva a suponer que en este caso el recubrimiento es maacutes poroso y delgado de acuerdo
a las medidas de espesor (Tabla 35) Para el caso de 17min con campo magneacutetico se tiene una
orientacioacuten preferencial en el plano (111) esta muestra tiene un mejor comportamiento
electroquiacutemico de acuerdo a la Figura 33 ademaacutes de acuerdo a lo reportado por Hu [33] nos lleva
a deducir que este recubrimiento es el menos poroso de los tres con campo magneacutetico Lo anterior
explica por queacute la velocidad de corrosioacuten es mayor a 7min y va disminuyendo conforme aumenta
el tiempo de electrodeposicioacuten Y tambieacuten revela la causa por la que el potencial de corrosioacuten es
maacutes negativo en presencia del campo magneacutetico La porosidad tambieacuten nos explica la razoacuten por la
cual la dureza de los recubrimientos hechos en presencia del campo magneacutetico disminuye con
respecto a aquellos realizados en ausencia del mismo
40 45 50 55 600
4000
8000
12000
16000
20000
17min SC
17min CM
12 min CM
12 min SC
7min CM
Inte
nsid
ad
(U
A)
2 (grados)
60degC-7min SC
60degC-12min SC
60degC-17min SC
60degC-7min CM
60degC-12min CM
60degC-17min CM
Ni
7min SC
(111) (200)
54
La existencia de los poros en el recubrimiento propicia un par galvaacutenico Figura 38 entre
el niquelado electroliacutetico y el acero 1018 ya que este uacuteltimo es maacutes electronegativo por
consiguiente maacutes propenso a la corrosioacuten Tambieacuten estaacute el efecto de las diferencias de aacutereas entre
aacutenodo (acero) y caacutetodo (niquelado) siendo en este caso el caacutetodo quien posee mayor aacuterea de
exposicioacuten al ambiente es el aacutenodo quien se corroeraacute maacutes faacutecil y raacutepidamente
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni
37 Microscopia Electroacutenica de Barrido
Las Figuras 39 310 y 311 muestran las imaacutegenes obtenidas en el MEB de los recubrimientos de
Ni a 60degC 7min 12min y 17min respectivamente Se aprecia una morfologiacutea maacutes uniforme con la
presencia de campo magneacutetico y las aglomeraciones de partiacuteculas metaacutelicas son mucho maacutes
grandes que sus homoacutelogos sin influencia del campo
55
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y sin influencia
de campo magneacutetico
56
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min con y sin
influencia de campo magneacutetico
57
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min con y sin
influencia de campo magneacutetico
58
Conclusiones
A partir de los resultados experimentales obtenidos en el presente trabajo se puede concluir lo
siguiente
La eficiencia de electrodepositacioacuten es funcioacuten de la pureza del aacutenodo y de la corriente
aprovechada por la reaccioacuten de reduccioacuten de hidroacutegeno
El aumento en el tiempo de electrodepositacioacuten conduce a un aumento en la masa de niacutequel
electrodepositada esto es vaacutelido para la condicioacuten sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico
sin embargo esto no garantiza la disminucioacuten de Vcorr
Sin campo magneacutetico los resultados obtenidos a 30degC y 60degC muestran que la Vcorr
disminuye conforme el tiempo de electrodepoacutesito de niacutequel aumenta Tambieacuten en ausencia del
campo las Vcorr obtenidas a 30degC son menores comparadas con las Vcorr a 60degC a excepcioacuten de
17 min
Sin campo magneacutetico se observa que la degradacioacuten del niquelado estaacute controlada por una
cineacutetica anoacutedica lo cual es vaacutelido para 30degC y para 60degC con excepcioacuten de 30degC y 17 min donde
la cineacutetica que controla es catoacutedica Asimismo a 30degC con campo magneacutetico se observa que la
cineacutetica que controla el sistema es la catoacutedica lo cual sugiere que la reaccioacuten de reduccioacuten de
oxiacutegeno ser manipulada por el campo magneacutetico
En presencia del campo magneacutetico se encontroacute que la resistencia de la solucioacuten disminuyoacute
tanto a 30degC como a 60degC debido a una fuerza adicional convectiva que provoca el campo
magneacutetico
La Vcorr es dependiente de la cantidad de masa depositada pero tambieacuten del ordenamiento
cristalino que los aacutetomos de niacutequel adquieren al momento del electrodepoacutesito
En presencia del campo magneacutetico las micrografiacuteas MEB revelan superficies con menos
rugosidad respecto a las muestras sin campo magneacutetico
A 60degC hay poca o nula contribucioacuten del campo magneacutetico mientras que a 30degC si hay una
contribucioacuten del campo pero es negativa respecto a la Vcorr
59
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62
Anexo 1 Caacutelculos
1-A Caacutelculo de eficiencia
En la praacutectica la corriente suministrada a un sistema no es aprovechada al 100 pues hay
peacuterdidas de corriente por diversos motivos entre otros
a) Desviacioacuten de corriente por caminos secundarios
b) Impurezas de las soluciones (las cuales dan reacciones secundarias)
c) Resistencia eleacutectrica propia del bantildeo electroliacutetico
d) Peacuterdidas por transformacioacuten de energiacutea eleacutectrica a energiacutea caloriacutefica
e) Fenoacutemenos de polarizacioacuten
Entonces se puede decir que
Eficiencia en corriente = 119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119905119890oacute119903119894119888119886
119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119904119906119898119894119899119894119904119905119903119886119889119886 119903119890119886119897x100
1-B Caacutelculo de Espesor
El meacutetodo maacutes satisfactorio para medir el espesor promedio de una capa es disolverla y determinar
el peso de la misma a partir de una muestra cuya aacuterea se conozca en el caso de este estudio se
pesaron las placas antes y despueacutes del electrodepoacutesito para determinar la masa depositada El
espesor se calcula asiacute a partir del peso y del aacuterea y de la densidad o peso especiacutefico del depoacutesito
utilizando la foacutermula
T (espesor) = 119862119882 (119901119890119904119900)
119860(aacute119903119890119886)times119863(119901119890119904119900 119890119904119901119890119888iacute119891119894119888119900)
En donde C es una constante que depende simplemente de las unidades utilizadas En
unidades meacutetricas la ecuacioacuten se transforma en
T(mm) = 10119882(119892119903)
119860(1198881198982)times119863
63
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 7min
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 12min
-0000006 -0000003 0000000 0000003
-040
-038
-036
-034
-032
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
-0000004 -0000002 0000000 0000002
-035
-034
-033
-032
-031
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
64
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 17min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 7min
-00000006 -00000003 00000000 00000003 00000006
-026
-024
-022
-020
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
-00000027 -00000018 -00000009 00000000 00000009 00000018
-028
-024
-020
-016
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
65
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 12min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 17min
-0000004 -0000002 0000000 0000002 0000004
-038
-036
-034
-032
-030
-028
-026
-024
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
-0000006 -0000003 0000000 0000003 0000006 0000009
-032
-031
-030
-029
-028
-027
-026
-025
-024
-023
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
iv
Dedicatorias
Sin lugar a dudas dedico este triunfo a MI MADRE por ser el pilar de mi vida por no dejarme
caer por ese apoyo y amor incondicional que me ha llevado a donde estoy ahora Por soportarme
en cada momento de estreacutes y frustracioacuten Gracias porque en cada reto presentado nunca dudoacute ni
un segundo de mi inteligencia y capacidad Este trabajo es tanto miacuteo como de ella
Tambieacuten dedico este proyecto a mi novio mi compantildeero inseparable de cada jornada
estudiantil Y sin olvidar a mis pocos amigos tanto carmelos como jarochos esos que he ido
cosechando escasamente durante mi estancia en este planeta les dedico este trabajo por hacer mis
diacuteas de estudiante maacutes divertidos
Finalmente a esos excelentes profesores que marcaron mi vida durante la primaria
secundaria y preparatoria Por transmitirme sus conocimientos y siempre tener buenos deseos hacia
mi persona
v
Iacutendice Iacutendice de Tablas ix
Iacutendice de Figuras x
Nomenclatura xiii
Resumen xiv
Abstract xiv
Introduccioacuten 1
Justificacioacuten 2
Objetivo General 3
Objetivos Especiacuteficos 3
Hipoacutetesis 4
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico 5
11 Antecedentes 5
12 Generalidades 7
121 El campo magneacutetico 7
122 Definicioacuten de corrosioacuten 8
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten 8
1231 Corrosioacuten seca 8
1232 Corrosioacuten huacutemeda 9
124 Tipos de ataque por corrosioacuten 10
125 Celdas electroquiacutemicas 11
1251 Celda galvaacutenica 12
1252 Celda electroliacutetica 13
13 Principios Electroquiacutemicos 14
131 Electrolitos 14
vi
1311 Tipos de electrolitos 14
132 Ley de Ohm 15
133 Leyes de Faraday 15
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary 16
14 Control de la corrosioacuten 17
141 Proteccioacuten catoacutedica 17
142 Inhibidores de corrosioacuten 18
143 Recubrimientos protectores 18
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos 19
15 Galvanoplastia 19
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten 19
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel 21
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel 21
1522 Condiciones de operacioacuten 23
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel 24
1524 Niquelado en diferentes metales base 25
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten 26
161 Dureza 26
1611 Ensayo de dureza Vickers 26
162 Rugosidad 27
1621 El perfiloacutemetro 27
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB) 28
1631 Componentes baacutesicos del MEB 29
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA) 29
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX) 30
vii
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X 31
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP) 32
1661 Procedimiento experimental 32
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE) 33
1671 Representaciones graacuteficas 34
1672 Ecuacioacuten de Brug 35
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental 36
21 Preparacioacuten superficial de muestras 36
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos 36
23 Preparacioacuten del electrolito 37
24 Obtencioacuten de recubrimientos 38
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos 39
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal 40
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica 40
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos 40
261 Dureza 40
262 Rugosidad 40
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido 41
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 41
265 Difraccioacuten de rayos X 42
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten 43
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos 43
311 Caacutelculo de masa depositada 43
312 Eficiencia en corriente 44
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal 45
viii
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica 48
34 Dureza Rugosidad y Espesor 50
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 51
36 Difraccioacuten de Rayos X 52
Conclusiones 58
Bibliografiacutea 59
Anexo 1 Caacutelculos 62
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten 63
ix
Iacutendice de Tablas
Tabla 11 Paraacutemetros termodinaacutemicos de las celdas electroquiacutemicas 11
Tabla 12 Serie galvaacutenica 12
Tabla 13 Ejemplos de electrolitos y no electrolitos 15
Tabla 21 Composicioacuten del bantildeo Watts 37
Tabla 22 Condiciones de operacioacuten 38
Tabla 31 Masa depositada en cada centiacutemetro cuadrado 44
Tabla 32 Valores de eficiencia 45
Tabla 33 Valores de icorr y Vcorr con y sin campo magneacutetico 46
Tabla 34 Valores de potencial de corrosioacuten 48
Tabla 35 Valores de dureza rugosidad y espesor para recubrimientos de Ni con y sin
influencia de campo magneacutetico
51
Tabla 36 Valores de capacitancia para recubrimientos de Ni con y sin presencia de
campo magneacutetico
51
x
Iacutendice de Figuras
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver 5
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes
(izq) Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico
aplicado
6
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas
(izq) Con campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
6
Figura 14 El campo magneacutetico 7
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca 9
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda 10
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten 11
Figura 18 Celda galvaacutenica 13
Figura 19 Celda electroliacutetica 14
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de
sacrificio de magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
18
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre 20
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante ensayo de dureza
27
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro 27
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y de
fotones por la interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
28
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB 29
Figura 116 Funcionamiento de un MFA 30
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X 31
Figura 118 Circuito equivalente simple 33
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist 34
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b)
Moacutedulo de impedancia
35
Figura 21 Decapado de muestras 36
xi
Figura 22 Determinacioacuten de los polos 37
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico 37
Figura 24 Rondelas de niacutequel 38
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con
imanes de Neodimio
39
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el
electrodo de referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo
(ET)
39
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad 41
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB 41
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni 43
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido 44
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal 46
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC 7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC 12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC 17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia
de campo magneacutetico
53
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni 54
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y
sin influencia de campo magneacutetico
55
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min
con y sin influencia de campo magneacutetico
56
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min
con y sin influencia de campo magneacutetico
57
xii
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de
electrodeposicioacuten
47
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min 49
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min 49
Graacutefica 34 EIE de 60degC a 17min 50
xiii
Nomenclatura
Ni ndash Niacutequel
T ndash Tesla
M ndash Metal
A ndash Ampere
Ec ndash Ecuacioacuten
ER ndash Electrodo de Referencia
ET ndash Electrodo de Trabajo
EA ndash Electrodo Auxiliar
Ecorr ndash Potencial de corrosioacuten
Vcorr ndash Velocidad de corrosioacuten
Rp ndash Resistencia a la polarizacioacuten
Rtc ndash Resistencia a la transferencia de carga
Rs ndash Resistencia del electrolito o de la solucioacuten
EIE ndash Espectroscopiacutea de impedancia electroquiacutemica
MFA ndash Microscopiacutea de fuerza atoacutemica
DRX ndash Difraccioacuten de rayos X
MEB ndash Microscopiacutea electroacutenica de barrido
SC ndash Sin campo magneacutetico
CM ndash Con campo magneacutetico
HV ndash Dureza Vickers
xiv
Resumen
En este estudio se obtuvieron recubrimientos de niacutequel con y sin presencia de campo magneacutetico a
60degC a 7 12 y 17 min sobre sustratos de acero al carbono AISI 1018 a partir de una solucioacuten tipo
Watts claacutesica Las propiedades de los recubrimientos se estudiaron mediante DRX MEB MFA
duroacutemetro y rugosiacutemetro tambieacuten se estudioacute el comportamiento electroquiacutemico de las peliacuteculas
mediante RP y EIE y ademaacutes se realizaron caacutelculos de capacitancia icorr velocidad de corrosioacuten
y espesor En general el campo magneacutetico tiene una influencia negativa en las propiedades fiacutesicas
y quiacutemicas de un electrodeposito de Ni en acero AISI 1018 Los detalles son discutidos en esta
investigacioacuten
Abstract
In this study nickel coatings were obtained with and without the presence of magnetic field at 60degC
for 7 12 and 17 min on substrates of AISI 1018 carbon steel from a classical type Watts solution
The properties of the coatings were studied by XRD SEM AFM hardness tester and roughness
tester the electrochemical behavior of the films was also studied through RP and EIE and also
capacitance calculations icorr corrosion rate and thickness were made In general the magnetic
field has a negative influence on the physical and chemical properties of an electrodeposited Ni
steel AISI 1018 The details are discussed in this research
1
Introduccioacuten
En los Reactores de agua en ebullicioacuten (BWR por sus siglas en ingleacutes) la radioacutelisis del agua
produce un medio altamente oxidante [1] que genera que los materiales estructurales presenten un
elevado potencial electroquiacutemico de corrosioacuten (PEC) cuando estaacuten en contacto con el agua en el
BWR Este PEC incrementa la propensioacuten a experimentar agrietamiento por corrosioacuten bajo
esfuerzos (SCC) [2] y agrietamiento por corrosioacuten intergranular bajo esfuerzos (IGSCC) [3] en los
materiales de los componentes internos tales como acero inoxidable aleaciones base niacutequel y las
zonas afectadas por el calor (HAZ) propias de un proceso de soldadura Ademaacutes en las condiciones
de alta temperatura del reactor BWR se forma una capa de oacutexido que puede ser hematita en
condiciones de alto oxiacutegeno o magnetita en condiciones de bajo oxiacutegeno Este segundo oacutexido es
un imaacuten por naturaleza por lo que este estudio contribuiraacute ademaacutes a discernir y en dado caso a
explicar si la presencia de un oacutexido magneacutetico o de otro que no lo sea tiene una influencia en la
deposicioacuten de recubrimientos alternos para mitigar el agrietamiento por corrosioacuten bajo esfuerzos
(SCC por sus siglas en ingleacutes) de los materiales de componentes internos de reactores BWR
El electrodepoacutesito de niacutequel sobre una superficie metaacutelica se hace con el fin de proteger las
piezas de la corrosioacuten pues posee buenas propiedades anticorrosivas y buena resistencia al
desgaste Los recubrimientos de niacutequel se utilizan en numerosos sectores industriales electroacutenica
componentes eleacutectricos petroquiacutemica automocioacuten etc [4] Por ello el presente trabajo muestra la
utilizacioacuten de un campo magneacutetico de 15 a 34 T (Valor fluctuante) para la obtencioacuten de
recubrimientos de Ni en acero un acero bajo carbono especiacuteficamente el AISI 1018 Las
propiedades de dichos recubrimientos se evaluaron mediante teacutecnicas electroquiacutemicas como Rp y
EIE para determinar las velocidades de corrosioacuten de las peliacuteculas De igual manera se estudiaron
los recubrimientos mediante DRX MEB y MFA Para finalmente establecer la influencia positiva
o negativa de dicho campo magneacutetico en los procesos de deposicioacuten electroliacutetica
2
Justificacioacuten
Para mitigar el SCC de los componentes internos de los BWR [5] en la actualidad se antildeaden sales
como precursores metaacutelicos por ejemplo Na2Pt(OH)6 que se transforman en partiacuteculas metaacutelicas
al entrar en contacto con el acero debido a la diferencia de potencial entre Fe y Pt [6] adhirieacutendose
al acero estructural por medio de procesos de precipitacioacuten Estas partiacuteculas catalizan las reacciones
de recombinacioacuten de especies oxidantes disminuyendo los procesos de corrosioacuten del acero sin
embargo los catalizadores basados en Pt tienen el inconveniente de costo elevado [7]
En este sentido una posible opcioacuten es la electrodeposicioacuten de un metal sobre la superficie
que se interesa proteger pero la efectividad de estos depoacutesitos depende de la preparacioacuten de la
superficie y de aspectos teacutecnicos ya estandarizados en normativas por ejemplo la Norma ISO
1458-1974 ldquoMetallic coatingsrdquo Si bien son de los mejores meacutetodos para proteger un metal auacuten
presentan diversas anomaliacuteas que generan superficies porosas falta de cohesioacuten y peliacuteculas
amorfas lo que conlleva a altos costos de produccioacuten debido a que se debe repetir el proceso y
contaminacioacuten ambiental a causa de los reactivos quiacutemicos usados para limpiar nuevamente la
superficie a recubrir
Debido a lo anterior este estudio tiene por objeto determinar si el campo magneacutetico influye
o no en las propiedades de adherencia rugosidad y eficiencia de un electrodepoacutesito de niacutequel
Siendo los mayores beneficiarios con este trabajo investigativo el ambiente la industria
galvanoplaacutestica y la comunidad electroquiacutemica
3
Objetivo General
Evaluar el efecto de un campo magneacutetico sobre las propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero bajo carbono especiacuteficamente en un acero AISI 1018
Objetivos Especiacuteficos
1- Elaborar electrodepoacutesitos de niacutequel en acero 1018 con y sin presencia de campo magneacutetico
2- Evaluar los electrodepoacutesitos mediante corriente directa y alterna
3- Analizar los electrodepoacutesitos por medio de pruebas fiacutesicas y quiacutemicas
4- Determinar el efecto de un campo magneacutetico en un electrodepoacutesito de niacutequel
4
Hipoacutetesis
El campo magneacutetico provoca una orientacioacuten en los iones yo moleacuteculas del electrolito destinado
a la electrodeposicioacuten con ello se modifican ciertas propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero 1018
5
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico
11 Antecedentes
El efecto de un campo magneacutetico sobre la orientacioacuten de las moleacuteculas durante un proceso de
formacioacuten de un producto ha sido muy poco estudiado En la industria se encuentran algunos casos
sin que haya reportes formales A continuacioacuten se discutiraacuten algunos de ellos
El ldquoFuel Energy Saverrdquo (Figura 11) es un producto de la compantildeiacutea mexicana ldquoEnergy
Saverrdquo se trata de un inductor de resonancia magneacutetica de alta potencia que genera frecuencias
especiacuteficas la cual fractura las cadenas de hidrocarburos alineando y haciendo todas las moleacuteculas
maacutes accesibles al oxiacutegeno lo que se traduce en una mejor combustioacuten con el consiguiente ahorro
de combustible y reduccioacuten de contaminacioacuten [8] Es aplicable para cualquier tipo de combustible
(gas natural gas LP dieacutesel combustoacuteleo gasoacuteleo) y puede ser usado en todo equipo de iacutendole
industrial (hornos calderas calentadores secadores estufas)
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver
Algunas empresas del ramo automotriz (por ejemplo Mercedes Benz) estaacuten empleando el
principio del FES para que por medio un campo magneacutetico se orienten las moleacuteculas del
combustible y de oxiacutegeno antes de que eacutestas sean consumidas La explicacioacuten a este fenoacutemeno fue
dada por Kita amp Kulish [9] que consiste en lo siguiente el combustible se consumiraacute a medida que
haya oxiacutegeno disponible Si en lugar de que el oxiacutegeno se alimente de manera ldquodesordenadardquo eacuteste
pudiera ser orientado antes de entrar a la caacutemara de combustioacuten se lograriacutea un mejor consumo de
combustible-oxiacutegeno lo cual se traduce en mayor potencia en el motor y un mejor
aprovechamiento del combustible es decir habriacutea menor cantidad de contaminantes (NOx y CO2)
en el escape
6
Otro ejemplo del uso de campos magneacuteticos se puede encontrar en la formacioacuten de
calcaacutereos en intercambiadores de calor La industria que sufre de formacioacuten de dichos productos
tambieacuten ha encontrado beneficios con el uso de un campo magneacutetico colocado en el depoacutesito de
agua y se observa que los productos calcaacutereos se desvanecen tal como se aprecia en la Figura 12
La explicacioacuten a este efecto se atribuye nuevamente a la reorientacioacuten de las moleacuteculas dando como
consecuencia una estructura amorfa en lugar de una cristalina caracteriacutestica de los calcaacutereos [10]
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes (izq)
Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico aplicado
Por el lado de las investigaciones cientiacuteficas se tiene el anaacutelisis del efecto de un campo
magneacutetico de 12 T en la electrodeposicioacuten y estructura de las aleaciones cobalto-tungsteno con
ello Zielinski [11] pudo establecer que la aplicacioacuten del campo magneacutetico cambioacute la composicioacuten
quiacutemica y la morfologiacutea de las aleaciones Co-W
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas (izq) Con
campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
7
De la misma manera Ferreira y Colnago [12] estudiaron la influencia del campo magneacutetico
de una resonancia magneacutetica nuclear (RMN) durante la reaccioacuten electroliacutetica del cobre Sus
resultados fueron exitosos pues la reaccioacuten en presencia de un campo magneacutetico de 023 T tuvo
un rendimiento del doble que la de la reaccioacuten en ausencia de dicho campo
Finalmente pero no menos importantes Calivar [13] con su creacioacuten de modelos de
conveccioacuten magneacutetica en electrodeposicioacuten de peliacuteculas delgadas de cobre y tambieacuten Ispas [14]
con su estudio del efecto de un campo magneacutetico de 05 T en la electrodeposicioacuten de la aleacioacuten
Ni-Fe Ambos llegaron a la misma conclusioacuten un campo magneacutetico provoca una conveccioacuten en el
fluido el cual provoca una contribucioacuten adicional de masa-transporte
12 Generalidades
121 El campo magneacutetico
Se trata de un campo que ejerce fuerzas (denominadas magneacuteticas) sobre los materiales Es una
magnitud vectorial pero no produce ninguacuten efecto sobre cargas en reposo (como siacute lo hace el
campo eleacutectrico doacutende las acelera a traveacutes de la fuerza eleacutectrica) Sin embargo el campo magneacutetico
siacute tiene influencia sobre cargas eleacutectricas en movimiento [15]
Por ejemplo en el estado soacutelido si una carga en movimiento atraviesa un campo magneacutetico
la misma sufre la accioacuten de una fuerza magneacutetica que no modifica la velocidad pero siacute la
trayectoria Cabe mencionar que en el estado liacutequido o en el estado gaseoso el efecto del campo
magneacutetico no estaacute bien definido
Figura 14 El campo magneacutetico
8
La unidad de campo magneacutetico en el Sistema Internacional es el tesla (T) Un tesla se define
como el campo magneacutetico que ejerce una fuerza de 1 N (newton) sobre una carga de 1 C (coulomb)
que se mueve a velocidad de 1 ms dentro del campo
122 Definicioacuten de corrosioacuten
Se denomina corrosioacuten al ataque destructivo de un material generalmente metaacutelico por reaccioacuten
quiacutemica o electroquiacutemica con su medio ambiente (atmoacutesfera suelo agua etc)
La reaccioacuten baacutesica de corrosioacuten es
M Mn+ + ne-
De acuerdo con ello tambieacuten es posible definir la corrosioacuten desde un punto de vista maacutes
electroquiacutemico como el traacutensito de un metal de su forma elemental a su forma ioacutenica o combinada
con una respectiva cesioacuten de electrones [16] Dicho de otra manera el metal a traveacutes de la
corrosioacuten retorna a su forma combinada formando oacutexidos sulfuros hidroacutexidos etc Pues asiacute es
como los metales se encuentran habitualmente en la naturaleza por tratarse de formas
termodinaacutemicamente maacutes estables
El proceso de corrosioacuten es natural y espontaacuteneo y cuanto mayor es la energiacutea gastada en la
obtencioacuten del metal a partir del mineral tanto maacutes es la tendencia del metal a regresar a su forma
basal es decir mucho maacutes favorecida termodinaacutemicamente estaacute la reaccioacuten de oxidacioacuten
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten
Tradicionalmente se establecen dos procesos baacutesicos de ataques corrosivos atendiendo al medio
en el que se producen
Corrosioacuten seca
Corrosioacuten huacutemeda
1231 Corrosioacuten seca
Tiene lugar cuando el material se encuentra sometido a la accioacuten de gases principalmente a
temperaturas elevadas por lo que no se tiene un electrolito condensado Este tipo de corrosioacuten es
la que se produce en calderas sobrecalentadores reactores etc en la parte que estaacute en contacto
con los productos de combustioacuten
9
En la corrosioacuten seca los oacutexidos que se forman son de caraacutecter ioacutenico (cationes metaacutelicos y
aniones de oacutexido regularmente distribuidos) La estructura cristalina formada presenta
normalmente defectos reticulares (deficiencias ioacutenicas) a traveacutes de los cuales se produce la
difusioacuten de iones
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca
1232 Corrosioacuten huacutemeda
Tiene lugar cuando el material se encuentra en medios acuosos (Figura 16) Se produce
normalmente a temperatura ambiente o no muy elevada Es la maacutes extendida por cuanto afecta a
un sinfiacuten de elementos en los que el material es usado en tanques tuberiacuteas intercambiadores
precalentadores carcasas estructuras buques etc
Todos los procesos de corrosioacuten involucran transferencia de carga (iones y electrones) en
particular en el caso de corrosioacuten huacutemeda eacutesta se da a traveacutes de soluciones acuosas (electrolitos)
las cuales son eleacutectricamente conductoras En general el proceso requiere de tres etapas
1) Oxidacioacuten Los aacutetomos metaacutelicos aumentan su valencia al ceder electrones convirtieacutendose
en iones positivos los cuales pasan al electrolito
2) Transporte de carga Los electrones son transferidos al caacutetodo
3) Reduccioacuten Reaccioacuten donde se consumen los electrones generados en la oxidacioacuten
Este tipo de corrosioacuten es netamente electroquiacutemico ya que es un proceso en el que se llevan
a cabo reacciones de oxidacioacuten y de reduccioacuten de ahiacute que se conozca coacutemo proceso REDOX Cabe
mencionar que se puede favorecer una reaccioacuten u otra en caso de inclinarse por la oxidacioacuten
10
entonces se da la corrosioacuten y si es la reduccioacuten se puede proteger al metal por ejemplo con
electrodepoacutesitos
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda
124 Tipos de ataque por corrosioacuten
Es importante sentildealar que la corrosioacuten huacutemeda presenta dos tipos de ataque corrosioacuten uniforme y
corrosioacuten localizada
a) Corrosioacuten uniforme homogeacutenea o generalizada El ataque se extiende de forma
homogeacutenea sobre toda la superficie metaacutelica y por tanto la peacuterdida de material es
aproximadamente la misma en todos los puntos A este tipo de ataque se le identifica por
crecimiento 2D debido a que se desarrolla preferentemente a lo largo de la superficie Por
consiguiente es relativamente faacutecil estimar la vida uacutetil de los materiales metaacutelicos que lo
sufren
b) Corrosioacuten localizada El ataque no se distribuye de forma homogeacutenea localizaacutendose por
el contrario en determinadas zonas de la superficie metaacutelica A este tipo de ataque se le
conoce por crecimiento 3D debido a que se desarrolla de manera local dando preferencia a
la profundidad maacutes que a la superficie Dentro de este tipo de corrosioacuten existe a su vez
otra clasificacioacuten que se menciona a continuacioacuten
11
a Corrosioacuten por picadura
b Corrosioacuten por hendidura
c Corrosioacuten galvaacutenica
d Corrosioacuten intergranular
e Corrosioacuten bajo tensioacuten
f Corrosioacuten cavitacioacuten
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten
125 Celdas electroquiacutemicas
En corrosioacuten una celda es un dispositivo en el cual se producen reacciones quiacutemicas de oxidacioacuten
y reduccioacuten El aparato se integra de las siguientes partes sustancia que contiene iones (electrolito)
dos electrodos (caacutetodo y aacutenodo) y una conexioacuten eleacutectrica entre ambos electrodos
Existen dos tipos de celdas las electroliacuteticas que requieren un voltaje externo (fuente de
poder) y las electroquiacutemicas o galvaacutenicas que solamente necesitan un instrumento para registrar
voltaje Por lo cual se dice que las primeras son no espontaacuteneas y las segundas espontaacuteneas
Termodinaacutemicamente una reaccioacuten espontaacutenea presenta una energiacutea libre de Gibbs negativa y la
no espontaacutenea positiva tal como se aprecia en la Tabla 11
12
1251 Celda galvaacutenica
Una celda galvaacutenica (Figura 18) es aquella en la cual la energiacutea quiacutemica es convertida en energiacutea
eleacutectrica por medio de una reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea Esto se debe a que un metal es maacutes activo
y otro maacutes noble aacutenodo y caacutetodo respectivamente seguacuten la serie galvaacutenica por lo que al ser
conectados eleacutectricamente producen un flujo de electrones desde el caacutetodo al aacutenodo Dicho flujo
genera un potencial eleacutectrico que puede ser medido experimentalmente
Los requisitos para que se produzca un proceso de corrosioacuten en una pila galvaacutenica son los
siguientes
1 Dos superficies con distinto potencial electroacutedico
a Una de ellas que constituye al aacutenodo de la reaccioacuten al ceder electrones sufriraacute la
corrosioacuten Es decir aquiacute se lleva a cabo la reaccioacuten de oxidacioacuten Es el polo
negativo
Mdeg Mne- + ne-
b La otra que constituye el caacutetodo ganaraacute los electrones cedidos por el aacutenodo En
esta zona ocurriraacute la reaccioacuten de reduccioacuten Es el polo positivo
Mne- + ne- Mdeg
13
2 Un electrolito conductor ioacutenico que contiene los elementos caracteriacutesticos del medio
corrosivo Es justo aquiacute en el seno de la solucioacuten donde ocurre el transporte de materia
3 Una conexioacuten eleacutectricamente conductora entre el aacutenodo y el caacutetodo para que sea posible
el transporte de carga
Figura 18 Celda galvaacutenica
1252 Celda electroliacutetica
Las celdas electroliacuteticas no son espontaacuteneas por lo que debe aplicarse externamente un potencial
eleacutectrico para que funcionen Al proveer dicha energiacutea se fuerza a que una corriente eleacutectrica pase
por la celda con el fin de generar reacciones quiacutemicas de oacutexido-reduccioacuten en la superficie de los
electrodos de dicha celda Uno de los procesos maacutes conocidos es el electrodepoacutesito de metales
como cobre niacutequel o zinc Es importante puntualizar que aquiacute el aacutenodo estaraacute cargado
positivamente y el caacutetodo negativamente contrario a lo sucedido en las celdas galvaacutenicas
Las partes que conforman a la celda electroliacutetica son las siguientes
1 Electrolito Al igual que en las celdas galvaacutenicas se necesita de un conductor ioacutenico
2 Aacutenodo En este tipo de celdas el aacutenodo posee el polo positivo y aquiacute se lleva a cabo la
oxidacioacuten de la especie electroquiacutemica
3 Caacutetodo Eacuteste es el polo negativo y en eacutel se produce la reduccioacuten de la especie
electroquiacutemica
14
4 Fuente de energiacutea Es quien aplica la energiacutea necesaria para poder invertir el sentido
natural de la corriente dando lugar a una reaccioacuten quiacutemica opuesta a la que se produce
espontaacuteneamente en la pila
Figura 19 Celda electroliacutetica
13 Principios Electroquiacutemicos
131 Electrolitos
Todos los solutos que se disuelven en agua se agrupan en dos categoriacuteas electrolitos y no
electrolitos Un electrolito es una sustancia que cuando se disuelve en agua forma una disolucioacuten
capaz de conducir la electricidad Un no electrolito por lo tanto no conduce la corriente eleacutectrica
cuando se disuelve en agua
1311 Tipos de electrolitos
Los electrolitos se clasifican en fuertes y deacutebiles Los primeros son sustancias que estaacuten casi
completamente disociadas en la solucioacuten e incluyen soacutelidos ioacutenicos y aacutecidos fuertes Los uacuteltimos
poseen enlaces tan fuertes que muy difiacutecilmente se ionizan en solucioacuten permaneciendo la mayor
parte en forma de moleacuteculas las cuales no tienen la capacidad de transportar carga eleacutectrica como
lo hacen los iones Es importante mencionar que los electrolitos por buenos conductores de la
electricidad que puedan ser siempre tendraacuten menor capacidad para conducir la electricidad que los
materiales soacutelidos [17]
15
132 Ley de Ohm
Una de las maacutes importantes caracteriacutesticas eleacutectricas de un material soacutelido es la facilidad con que
transmite una corriente eleacutectrica La ley de Ohm relaciona la corriente (I) o sea el paso de carga
por unidad de tiempo con el voltaje aplicado (V) de la manera siguiente
V = IR
Donde R es la resistencia del material a traveacutes del cual pasa la corriente Las unidades de
V I y R son respectivamente voltios (V) amperios (A) y ohmios (Ω)
133 Leyes de Faraday
En electroquiacutemica es de suma importancia poder determinar la velocidad a la que ocurren las
reacciones de oacutexido-reduccioacuten cuando una corriente atraviesa una interfase soacutelido-electrolito pues
esto trae como consecuencia un transporte de materia resultado de la peacuterdida (oxidacioacuten) o
ganancia (reduccioacuten) de masa en el electrodo de trabajo
Cabe mencionar que las caracteriacutesticas superficiales del electrodo y las interacciones del
electrolito en dicha superficie son las que determinan la velocidad de reaccioacuten de un proceso
electroquiacutemico [18] Sin embargo hay tantos factores que pueden afectar directamente la velocidad
de reaccioacuten que por ello las leyes de Faraday solo son utilizables cuando el proceso controlador es
la transferencia de carga
Con las investigaciones del fiacutesico britaacutenico Michael Faraday (1791-1867) se descubrieron
las relaciones cuantitativas entre la cantidad de electricidad que pasa a traveacutes de una solucioacuten y la
cantidad de materia separada o precipitada en los electrodos Es decir con dichas expresiones es
posible calcular el transporte de materia en la interfase soacutelido-electrolito [16]
Primera Ley La masa de un ion liberado o depositado en un electrodo es proporcional a
la cantidad de electricidad que pase a traveacutes de la solucioacuten
Ec 11
16
m = 119868119905119875119860
119899119865
Donde PA es el peso atoacutemico la I la corriente en Amperes t el tiempo que pasa dicha carga
en segundos n el nuacutemero de equivalentes involucrados y F la constante de Faraday
Segunda Ley Las cantidades de sustancias liberadas o depositadas por una cantidad de
electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes Aplica cuando una misma
cantidad de electricidad atraviesa distintos electrolitos es decir cuando el proceso se lleva a cabo
en serie
1198981
1198901=
1198982
1198902
Donde m1 y m2 son las masas depositadas y e1 y e2 son los equivalentes quiacutemicos El
equivalente quiacutemico es la relacioacuten entre el peso atoacutemico y el nuacutemero de oxidacioacuten del compuesto
en cuestioacuten
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary
La ecuacioacuten de Stern-Geary establece la relacioacuten entre la densidad de corriente de corrosioacuten (icorr)
es decir la velocidad de corrosioacuten con la resistencia a la polarizacioacuten [19]
119894119888119900119903119903 = 119861
119877119875
119861 = 119887119886119887119888
2303 (119887119886 + 119887119888)
Donde ba y bc son las pendientes de Tafel anoacutedica y catoacutedica respectivamente
La constante B en la ecuacioacuten sirve para presentar una relacioacuten existente entre las
pendientes de Tafel Para que la ecuacioacuten de Stern-Geary sea aplicable es imperativo que exista
comportamiento tafeliano en el sistema electroquiacutemico
Ec 12
Ec 13
Ec 14
Ec 15
17
14 Control de la corrosioacuten
Baacutesicamente todos los meacutetodos que existen para lograr controlar la corrosioacuten de los materiales
metaacutelicos son intentos para interferir con el mecanismo de corrosioacuten de tal manera que se pueda
hacer que eacuteste sea lo maacutes ineficiente posible Dado que para que exista un proceso de corrosioacuten
debe formarse una pila o celda de corrosioacuten ademaacutes de una diferencia de potencial entre los
electrodos o zonas anoacutedicas y catoacutedicas la eliminacioacuten de alguno de los componentes esenciales
de la mencionada pila podriacutea llegar a detener el proceso [20]
En la praacutectica existen tres maneras de lograr lo anterior y enseguida se explicaraacute en queacute
consiste cada una Sin embargo es muy importante sentildealar que ninguacuten meacutetodo elimina la
corrosioacuten sino que todos disminuyen la velocidad de la reaccioacuten de oxidacioacuten ya que el metal
siempre buscaraacute la condicioacuten de miacutenima energiacutea que es la formacioacuten de oacutexidos e hidroacutexidos
141 Proteccioacuten catoacutedica
Se debe recordar que toda estructura propensa a corroerse presenta zonas catoacutedicas y anoacutedicas
siendo estas uacuteltimas aquellas aacutereas donde se lleva a cabo la corrosioacuten Pero si todas las aacutereas
anoacutedicas se pudieran convertir en catoacutedicas la estructura completa funcionariacutea como caacutetodo y la
corrosioacuten se disminuiriacutea considerablemente [21] Ese es el mecanismo de accioacuten de la proteccioacuten
catoacutedica y se puede llevar a cabo de dos maneras tal como lo muestra la Figura 110
Por corriente impresa La proteccioacuten se logra aplicando una corriente externa a partir de
un rectificador que suministra corriente continua de bajo voltaje El terminal positivo de la
fuente de corriente se conecta a un aacutenodo auxiliar (grafito por ejemplo) localizado a una
determinada distancia de la estructura a proteger y el terminal negativo se conecta a la
estructura metaacutelica
Por aacutenodos de sacrificio El metal a proteger se conecta a otro metal menos noble seguacuten
la serie galvaacutenica que actuaraacute como aacutenodo en la celda de corrosioacuten En ese caso la
estructura actuaraacute como caacutetodo y quedaraacute protegida por el ldquosacrificiordquo del aacutenodo que se
corroeraacute
18
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de sacrificio de
magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
142 Inhibidores de corrosioacuten
Los inhibidores son sustancias orgaacutenicas o inorgaacutenicas que se agregan a la solucioacuten corrosiva con
el fin de disminuir su poder de ataque y asiacute reducir la velocidad de corrosioacuten Se puede decir que
un inhibidor es un calmante de la corrosioacuten pues como ya se mencionoacute con anterioridad ninguacuten
meacutetodo la elimina en su totalidad
El comportamiento de los inhibidores puede ser muchas veces peligroso ya que en funcioacuten
de la concentracioacuten pueden jugar tanto el papel de inhibidores como de estimuladores de la
corrosioacuten [21]
Los hay de dos tipos aunque a veces se utiliza una combinacioacuten de ambos
1) Inhibidores anoacutedicos Actuacutean formando un compuesto insoluble el cual precipita en los
lugares afectados por la peacuterdida de materia evitando la reaccioacuten anoacutedica y por lo tanto
inhibe la corrosioacuten Ejemplos hidroacutexido soacutedico carbonato silicato y borato de sodio
ciertos fosfatos cromato soacutedico nitrito y benzoato de sodio etc
2) Inhibidores catoacutedicos Actuacutean sobre toda la superficie formando una capa o peliacutecula de
alta resistencia eleacutectrica la cual funciona como una barrera para la corriente de corrosioacuten
Ejemplos sulfato de zinc sulfato de magnesio bicarbonato de calcio etc
143 Recubrimientos protectores
Los recubrimientos representan la primera liacutenea en la lucha contra la corrosioacuten Los recubrimientos
sea cual fuere su tipo no mejoran las caracteriacutesticas mecaacutenicas del elemento sin embargo
preservan su resistencia e integridad Sus objetivos pueden ser variados siendo el principal aislar
la estructura del medio agresivo con el que se encuentra en contacto (agua suelo y atmoacutesfera por
lo general) aunque tambieacuten cumplen en ocasiones fines cosmeacuteticos
19
En general se emplean bajo condiciones muy amplias como puede ser exposicioacuten
atmosfeacuterica inmersioacuten en agua estructuras enterradas elementos sometidos a quiacutemicos etc Los
recubrimientos representan la uacuteltima etapa de los procesos de fabricacioacuten de cualquier pieza
sistema o equipo siendo normalmente aplicados antes del ensamble [21] Existe por lo tanto una
amplia gama de materiales que pueden ser utilizados como recubrimientos de los metales
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos
Orgaacutenicos Los recubrimientos orgaacutenicos son poliacutemeros y resinas producidas en forma
natural o sinteacutetica generalmente formulados para aplicarse como liacutequidos que se secan o
endurecen como peliacuteculas delgadas en materiales del sustrato Por ejemplo las pinturas
Inorgaacutenicos Los recubrimientos inorgaacutenicos proporcionan acabados tersos y maacutes
duraderos los maacutes usados son el vidrio y los ceraacutemicos
Metaacutelicos Los recubrimientos metaacutelicos se aplican mediante capas finas que funcionen
como aacutenodos sacrificables que puedan ser corroiacutedos en lugar del metal subyacente Por
ejemplo Niquelado cromado galvanizado electroliacutetico inmersioacuten en caliente etc
15 Galvanoplastia
La galvanoplastia es una teacutecnica que proporciona un recubrimiento metaacutelico a una estructura que
deseamos proteger El elemento adherido modifica las propiedades superficiales del material sobre
el cual se depositan promoviendo caracteriacutesticas que son imposibles de obtener en el metal base
Es un meacutetodo que se fundamenta en la electroacutelisis para asiacute cubrir un metal base con un fina
capa de otro metal ya sea cobre niacutequel cromo oro plata con el fin de embellecerlo o impartirle
resistencia a la corrosioacuten
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten
La electrodeposicioacuten puede ser de un solo metal de capas de diferentes metales o de una aleacioacuten
(por ejemplo latoacuten) Los metales maacutes utilizados para electrodepoacutesito son en orden de importancia
zinc niacutequel estantildeo y cadmio [22] Tambieacuten es usual recubrir con oro plata y platino En el caso
de aleaciones es comuacuten la aplicacioacuten de Babbitts (aleaciones Pb-Sn) Es conveniente mencionar
que la mayoriacutea de los metales se pueden depositar por eacuteste procedimiento
20
En teacuterminos simples este proceso consiste en la inmersioacuten de la parte a recubrir en un
electrolito que contenga iones del metal a depositar para asiacute proceder al paso de una corriente
directa que permita el depoacutesito en la pieza (caacutetodo) donde los iones son repuestos por la accioacuten de
la propia corriente sobre el aacutenodo
Pero iquestcoacutemo sucede realmente el fenoacutemeno de la electrodeposicioacuten A continuacioacuten se
daraacute una explicacioacuten maacutes detallada sin embargo solo las reacciones en el caacutetodo seraacuten presentadas
ya que en general las reacciones en un aacutenodo soluble seraacuten las inversas de aquellas presentes en
el caacutetodo
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre
Suponga una solucioacuten de una sal metaacutelica tal como el sulfato de cobre (Figura 111) la sal
se disocia considerablemente formando cationes cargados positivamente y aniones cargados
negativamente como ya se ha mencionado anteriormente El agua presente se disocia un poco para
formar iones hidroacutegeno e hidroxilo Todo aacutecido sulfuacuterico presente se disocia tambieacuten en iones
hidroacutegeno y en iones ya sea HSO4- o ya sea SO4
-2 La mayor parte de estos iones estaacuten hidratados
o sea que se encuentran combinados con una o maacutes moleacuteculas de agua
Cuando se aplica un potencial a dos electrodos en una solucioacuten asiacute los cationes cargados
positivamente emigran hacia el caacutetodo y los aniones negativos se mueven hacia el aacutenodo En una
solucioacuten acidificada la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es relativamente alta y la de los iones
hidroxilo es muy baja En virtud de que los iones hidroacutegeno se mueven maacutes raacutepidamente que los
iones cobre la mayor parte de la corriente es llevada hacia el caacutetodo por los iones hidroacutegeno Sin
embargo es maacutes faacutecil descargar los iones cobre asiacute que praacutecticamente toda la corriente que se usa
en el caacutetodo es para depositar cobre
21
Es difiacutecil representar el proceso implicado en el depoacutesito real de un metal sobre el sustrato
El caacutetodo se encuentra cargado negativamente o sea tiene una concentracioacuten de electrones
relativamente alta los cuales siempre aprovechan la oportunidad de combinarse con iones cargados
positivamente para asiacute formar los aacutetomos metaacutelicos
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel
El niacutequel (Ni) es un elemento quiacutemico de nuacutemero atoacutemico 28 situado en el grupo 10 de la tabla
perioacutedica de los elementos Es un metal blanco plateado duro maleable y duacutectil que puede
presentar un intenso brillo
Como elemento aleante proporciona resistencia tenacidad y proteccioacuten contra la corrosioacuten
El uso principal del niacutequel como metal es en la electrodeposicioacuten de piezas ya que funge como
protector corrosivo y de desgaste ante otros materiales que suelen ser maacutes susceptibles
ambientalmente tal como el hierro o el acero ademaacutes de embellecer la superficie El niacutequel es un
metal muy poco activo y bajo casi todas las condiciones tiende a resistir manchas y oxidacioacuten [23]
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel
Normalmente los galvanizados de niacutequel se hacen a partir de soluciones aacutecidas variando en un
rango de pH de 15 a 60 Una excepcioacuten es el uso de un bantildeo alcalino amoniacal de niacutequel con un
pH cerca de 9 [22]
A pesar de las muchas foacutermulas de bantildeos de niacutequel casi todas ellas contienen tres componentes
esenciales
Sulfato de niacutequel Constituye la principal fuente de iones niacutequel ademaacutes de controlar los
liacutemites admisibles de densidad de corriente
Cloruro de niacutequel Suministra los iones cloruros necesarios para asegurar la corrosioacuten de
los aacutenodos de niacutequel Tambieacuten es una fuente secundaria de iones niacutequel
Aacutecido boacuterico Actuacutea como agente tampoacuten y para conservar la adhesioacuten del depoacutesito de
niacutequel
A continuacioacuten se enlistan las teacutecnicas principales que se utilizan en los depoacutesitos de niacutequel
[22] Cabe mencionar que las concentraciones exactas y las condiciones de operacioacuten pueden
modificarse pero los valores que se dan pueden servir de guiacutea
22
1 Niacutequel a bantildeo friacuteo diluido
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 09 120 16
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Fluoruro de amonio NH4F 057 65 87
2 Bantildeo caliente Tipo Watts
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 04 45 6
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
pH para operacioacuten a un alto pH 45-55 a un bajo pH 15-30
Temperatura 43deg C (110 degF)
Densidad de corriente 2-7 ampdm2 (20-65 ampft2)
3 Bantildeo de alto sulfato
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 05 70 9
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Sulfato de sodio Na2SO4 10 160 22
Aacutecido boacuterico H3BO3 025 M 15 2
pH 55
Temperatura 20-30 degC (68-86 degF)
Densidad de corriente 15-30 ampdm2 (14-28 ampft2)
4 Bantildeo brillante de niacutequel-cobalto
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
23
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 038 45 6
Sulfato de cobalto CoSO4 7H2O 011 15 2
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
Sulfato de amonio (NH4)2SO4 004 25 03
Formato de niacutequel Ni(COOH)2 067 50 67
Formaldehiacutedo HCHO (40) 25 03
pH 45
Temperatura 55 degC (131 degF)
Densidad de corriente 3 ampdm2 (28 ampft2)
1522 Condiciones de operacioacuten
El caraacutecter del depoacutesito depende de varios factores incluyendo la temperatura la densidad de
corriente el pH la distancia entre los electrodos y la agitacioacuten los cuales se ajustan para producir
recubrimientos gruesos o delgados mates o brillantes suaves o duros duacutectiles o fraacutegiles [22] Cabe
mencionar que los valores oacuteptimos para cada factor variacutean de acuerdo con el tipo del bantildeo por lo
que no es posible dar cifras determinadas En su lugar se indicaraacuten los efectos sobre el caraacutecter de
los depoacutesitos obtenidos
pH La eleccioacuten de pH es regida por el tipo de bantildeo y las propiedades que se desean en el
depoacutesito En general en bantildeos de niacutequel opaco un aumento en el pH especialmente arriba de 50
produce depoacutesitos maacutes duros probablemente como resultado de mayor precipitacioacuten
Reciacuteprocamente los depoacutesitos de bajo pH seraacuten probablemente suaves
Temperatura La ventaja de aplicar altas temperaturas depende de varios factores
incluyendo (1) maacutes elevada solubilidad del niacutequel u otras sales (2) mayor conductividad (3)
reducida polarizacioacuten en ambos electrodos y (4) aumento de eficiencia en el aacutenodo y caacutetodo
Aunque de igual manera se pueden presentar ciertas desventajas (1) aumento de la tendencia a la
precipitacioacuten de impurezas (2) la propensioacuten a coagular agentes abrillantadores (3) vaporizacioacuten
excesiva (4) produccioacuten de depoacutesitos pasivos y (5) menor potencia de depoacutesito
Densidad de corriente La densidad de corriente es dependiente de los dos factores
anteriores A temperatura ambiente especialmente en bantildeos diluidos se emplean densidades de
24
corriente de 5 a 20 Aft2 (05 a 2 Adm2) En bantildeos maacutes fuertes y calientes se pueden usar
densidades de corriente hasta de 60 Aft2 (6 Adm2)
Agitacioacuten El efecto de la agitacioacuten equivale a un aumento en concentracioacuten de niacutequel y a
una disminucioacuten de pH lo que permite densidades de corriente maacutes altas Una desventaja de la
agitacioacuten raacutepida en los bantildeos de niacutequel es que con el movimiento suben a la superficie las partiacuteculas
suspendidas lo que trae consigo un depoacutesito aacutespero
Distancia entre electrodos La elaboracioacuten de recubrimientos con espesor uniforme
depende tambieacuten de la propia disposicioacuten y espacio adecuado de las piezas de trabajo aacutenodo y
caacutetodo Por lo que entre maacutes cercana esteacute la superficie a recubrir del aacutenodo mayor seraacute el espesor
del depoacutesito obtenido
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel
Las propiedades fiacutesicas del niacutequel electrodepositado son de especial intereacutes porque hay una gran
variedad de propiedades el control de las cuales de las cuales crea aplicaciones especiales del
niacutequel por ejemplo en electroformacioacuten Las siguientes propiedades son para depoacutesitos opacos de
niacutequel [22]
Dureza Esta variacutea en los diferentes depoacutesitos de niacutequel cerca de 130 a 430 HB En el bantildeo
tipo Watts se obtuvo un miacutenimo de dureza a un pH de 3 obtenieacutendose depoacutesitos maacutes duros abajo
y arriba de este liacutemite Los depoacutesitos maacutes duros se obtienen con un alto pH
Resistencia a la tensioacuten En general la resistencia a la tensioacuten es casi paralela a la dureza
y va de 56 000 a 160 000 lbplg2 (3 900 a 11 000 kgcm2)
Ductilidad La ductilidad medida por elongacioacuten es casi inversamente proporcional a la
dureza y a la resistencia a la tensioacuten
Resistividad eleacutectrica La resistividad eleacutectrica del niacutequel depositado es influenciada por el
contenido de inclusiones como el oacutexido y el cobalto Se presenta un poco en un pH 3
Composicioacuten Los depoacutesitos de niacutequel contienen oxiacutegeno e hidroacutegeno probablemente
presentes como compuestos baacutesicos del niacutequel como Ni(OH)2 El cloruro puede estar presente en
los depoacutesitos de todos los bantildeos de cloruro Estas inclusiones indudablemente tienen influencia en
la dureza y resistencia a la tensioacuten
25
1524 Niquelado en diferentes metales base
Debido a que el niacutequel es el maacutes extensamente aplicado a numerosos metales base solo algunos
ciclos empleados seraacuten considerados en esta seccioacuten [22]
Niquelado en acero El niacutequel puede ser depositado directamente sobre acero o sobre una
capa delgada o gruesa de cobre Debido a numerosas pruebas de corrosioacuten y a lo demostrado por
la experiencia se sabe que las capas de cobre ejercen menos proteccioacuten que una densidad igual de
niacutequel por lo tanto la tendencia actual es eliminar el cobre
Niquelado en hierro vaciado La dificultad de galvanizar sobre hierro vaciado estaacute
indudablemente asociada con la presencia de carbono liberado o grafito en el hierro Si eacuteste
permanece parcialmente embebido el niacutequel no se deposita tan faacutecilmente sobre el carboacuten o
carburos como en los cristales de hierro Por ello se utiliza una capa de cobre ya que mejora la
adhesioacuten del niacutequel al hierro vaciado La limpieza catoacutedica en caacuteustico fundido es algunas veces
efectiva y la saturacioacuten en aacutecido fluorhiacutedrico puede ayudar Por buena que sea la adhesioacuten del
niacutequel al hierro vaciado no es tan buena como en el acero
Niquelado en cobre y latoacuten La praacutectica maacutes comuacuten es aplicar el niacutequel directamente al
cobre o latoacuten seguido por la acostumbrada capa de cromo Ha sido demostrado concluyentemente
que las capas de cromo aplicadas directamente al latoacuten dan menos proteccioacuten contra la corrosioacuten
que cuando se aplica primero una capa de niacutequel
Niquelado en zinc y vaciados con base de zinc Se ha confirmado por muchas pruebas que
las capas adherentes de niacutequel pueden ser aplicadas directamente a troquelados de zinc usando un
alto-sulfato en bantildeo de niacutequel El principio de este bantildeo es la adicioacuten de suficiente sulfato de sodio
para reducir la actividad del ion niacutequel y aumentar la polarizacioacuten del caacutetodo De este modo se
evita que el zinc pase a la solucioacuten precipitando niacutequel oscuro Este bantildeo de alto sulfato de niacutequel
tiene una excelente conductividad y potencia de depoacutesito
Niquelado en magnesio El galvanizado de niacutequel u otros metales en magnesio o sus
aleaciones se hace difiacutecilmente por la alta actividad del magnesio y su consecuente tendencia a
depositar niacutequel u otros metales pesados por inmersioacuten Debido a la gran diferencia de potenciales
de solucioacuten del magnesio y de metales como el cobre niacutequel o cromo eacutestos pueden galvanizarse
sobre el magnesio cuya corrosioacuten se acelera raacutepidamente si hay algunos poros o discontinuidad en
26
los recubrimientos Mientas no se pueda demostrar que pueden producirse y mantenerse
recubrimientos electroliacuteticos casi impenetrables en el magnesio y sus aleaciones es de dudarse que
estos galvanizados puedan tener una aplicacioacuten industrial
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de materiales consiste en la obtencioacuten de informacioacuten acerca de un material
bajo estudio (composicioacuten estructura morfologiacutea y otras propiedades) a partir de la interaccioacuten de
una sentildeal (eleacutectrica luminosa teacutermica etc) con una porcioacuten de dicho material Por tanto toda
caracterizacioacuten de un material supone una agresioacuten es decir una perturbacioacuten del mismo El
estudio de la respuesta del material a dicha perturbacioacuten tiene la finalidad de dar a conocer las
propiedades del mismo para asiacute predecir si seraacute uacutetil o no en una determinada aplicacioacuten
Se puede asegurar que la ayuda de las nuevas teacutecnicas de caracterizacioacuten y anaacutelisis ha sido
indispensable en el disentildeo siacutentesis y procesado de estos materiales permitiendo un cuidadoso
control de sus propiedades e incluso en muchos casos con la posibilidad de fijar de antemano
alguna de sus caracteriacutesticas
161 Dureza
La dureza es una propiedad de los materiales soacutelidos y se define como la resistencia que oponen
estos materiales a ser deformados Una buena dureza significa generalmente que el material es
resistente al rayado y al desgaste [23]
1611 Ensayo de dureza Vickers
Este ensayo usa un indentador en forma de piraacutemide hecho de diamante Figura 112 (a) El ensayo
se basa en el principio de que las impresiones hechas por este indentador tienen geometriacuteas
similares independientemente de la carga aplicada En consecuencia se aplican varias cargas
dependiendo de la dureza del material a ensayar [24] la dureza Vickers se determina entonces con
la foacutermula
HV = 1854 119865
1198632
Donde F es la fuerza aplicada en kgf y D es la diagonal de la impresioacuten hecha por el
indentador en mm El ensayo Vickers puede usarse para todos los metales porque cuenta con una
de las escalas maacutes amplias entre los ensayos de dureza
Ec 16
27
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante un ensayo de dureza
162 Rugosidad
El acabado superficial de los cuerpos puede presentar errores de forma macro y micro geomeacutetricos
auacuten las superficies consideradas como ldquomuy lisasrdquo muestran cuando son analizadas a escala
sumamente fina una compleja diversidad de particularidades geomeacutetricas [25] Por lo tanto la
rugosidad es el conjunto de irregularidades en una superficie real
1621 El perfiloacutemetro
El rugosiacutemetro o perfiloacutemetro es por mucho el equipo maacutes utilizado en la industria para medir la
rugosidad de componentes comunes El principio de operacioacuten de este equipo es simple una fina
punta en contacto con la superficie a analizar realiza un barrido controlado en liacutenea recta y las
variaciones de alturas se convierten en sentildeales eleacutectricas que son debidamente registradas
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro
28
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB)
En el microscopio electroacutenico de barrido se construyen imaacutegenes aprovechando la emisioacuten de
electrones (electrones secundarios) de una muestra cuando sobre ella incide un haz enfocado de
electrones de alta energiacutea La muestra tambieacuten emite rayos X los cuales pueden ser analizados para
obtener informacioacuten sobre la composicioacuten del material [26] Cada sentildeal del MEB es captada con
un detector apropiado
Los electrones emitidos por la interaccioacuten del haz incidente y la muestra son colectados por
los correspondientes detectores para producir una sentildeal eleacutectrica la cual se utiliza para modular la
intensidad de un haz de electrones que incide en la pantalla de un tubo de rayos catoacutedicos (TRC)
de manera que mediante un barrido sincronizado del haz incidente en la superficie de una muestra
y del haz incidente en la pantalla del TRC se produce la imagen de la muestra [26]
La emisioacuten de electrones y de rayos X de la muestra se origina por las colisiones de
electrones del haz incidente con electrones de los aacutetomos del material de la probeta tal como se
puede observar en la Figura 114
Algunas colisiones son elaacutesticas de modo que algunos electrones del haz primario pueden
salir de la superficie de la muestra sin una significativa peacuterdida de energiacutea estos son los llamados
electrones reflejados Pero la mayoriacutea de las colisiones son inelaacutesticas y entre otros efectos
originan emisioacuten de electrones de baja energiacutea conocidos como electrones secundarios
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y fotones por la
interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
29
1631 Componentes baacutesicos del MEB
Cantildeoacuten de electrones que produce un haz con energiacutea entre 5 keV y 30 keV con un diaacutemetro
efectivo entre 01 microm y 10 microm
Lentes electromagneacuteticas condensadoras que reducen el diaacutemetro del haz de manera que en
la superficie de la muestra se tiene un diaacutemetro apropiado al aumento de la imagen
Apertura final la cual controla la divergencia del haz incidente en la muestra
Una lente objetivo que enfoca el haz en la superficie de la muestra
Sistema de barrido el cual permite la construccioacuten de la imagen en la pantalla del TRC por
el barrido del haz en la superficie de la muestra
Detectores de sentildeales emitidas por la muestra (Electrones secundarios electrones
reflejados rayos X etc)
Tubo de rayos catoacutedicos para presentacioacuten de la imagen
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica es una teacutecnica relativamente nueva que permite obtener
imaacutegenes de superficies a escala molecular [27] El microscopio consta esencialmente de una punta
de Si3N4 montada sobre un fleje Con esta punta se realiza un barrido sobre la superficie de la
muestra la cual se situacutea sobre un escaacutener piezoeleacutectrico El funcionamiento del microscopio se
basa en el control por un ordenador de la fuerza ejercida por la punta durante el barrido (Ver Figura
30
116) En el modo denominado de contacto la fuerza punta-muestra se mantiene constante
mediante un sistema de retroalimentacioacuten basado en los siguientes puntos
1) La variacioacuten de la fuerza punta-muestra se traduce en movimientos verticales y horizontales
del fleje que hacen variar la direccioacuten de un rayo laacuteser incidente sobre eacutel Estos cambios en
la direccioacuten del laacuteser son recogidos por un fotodetector y analizados por un ordenador
2) Los aumentos o disminuciones de fuerza son compensados por el ordenador que enviacutea una
sentildeal al piezoeleacutectrico para que acerque o aleje la muestra a la punta
3) Tanto las variaciones del haz luminoso como los movimientos controlados del
piezoeleacutectrico son convertidos por el ordenador en un mapa topograacutefico de la superficie
Figura 116 Funcionamiento de un MFA
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX)
El meacutetodo de difraccioacuten por rayos X es una herramienta poderosa para investigar la disposicioacuten
ordenada de los aacutetomos o moleacuteculas por medio de la interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica
para producir efectos de interferencia con estructuras comparables en tamantildeo a la longitud de onda
de la radiacioacuten
31
Al igual que con los tipos de radiacioacuten electromagneacutetica la interaccioacuten entre el vector
eleacutectrico de la radiacioacuten X y los electrones de la materia que atraviesa da lugar a una dispersioacuten
Cuando los rayos X son dispersados por el entorno ordenado de un cristal tienen lugar
interferencias (constructivas y destructivas) entre los rayos dispersados ya que las distancias entre
los centros de dispersioacuten son del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la radiacioacuten
La teacutecnica de difraccioacuten de rayos X aplicada al estudio de materiales permite obtener
informacioacuten importante sobre distintos aspectos de los mismos Para recubrimientos [28] eacutesta
teacutecnica es imprescindible para determinar
Tipo de estructura (FCC HCP etc)
Esfuerzos residuales
Microdeformaciones
Tamantildeo de grano
Fases presentes
Proporcioacuten relativa de las fases
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X
El fenoacutemeno de difraccioacuten es la interferencia entre las ondas que se genera cuando hay un objeto
en su trayecto Para comprender mejor esto supoacutengase dos planos reticulares 1 y 2 tal como en la
Figura 117 de un cristal con una distancia d entre ambos converge un haz de rayos X procedente
de A con un aacutengulo de incidencia θ este haz en parte se refleja sobre el primer plano hacia F y
en parte atraviesa y se refleja sobre el plano 2 hacia F3 y asiacute sucesivamente sobre los otros planos
[29]
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X
32
En el punto D se sobrepone un rayo reflejado por el primer plano reticular y el otro del
segundo cuya diferencia de camino despueacutes de la reflexioacuten es CD-ED Si tal diferencia es un
muacuteltiplo entero n de la longitud de onda λ de la radiacioacuten X los dos rayos en D estaraacuten en
concordancia de fase y sobreponieacutendose aumentaraacute su intensidad
Por el contrario si estaacuten en discordancia tenderaacuten a anularse Para que se verifique esta
condicioacuten es necesario que las magnitudes λ d θ y n satisfagan la relacioacuten de la Ley de Bragg
nλ = 2 d sen θ
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP)
La teacutecnica electroquiacutemica llamada Resistencia a la Polarizacioacuten es el resultado de la aproximacioacuten
de bajo campo a la ecuacioacuten de Butler-Volmer y por este motivo se debe aplicar solamente cuando
exista control activacional o por transferencia de carga
Los materiales que son susceptibles de ser evaluados mediante la aplicacioacuten de la RP deben
estar inmersos en electrolitos conductores es decir que la resistividad de las soluciones no sea alta
y deben encontrarse libres de peliacuteculas resistivas
1661 Procedimiento experimental
Para realizar un estudio experimental de Resistencia a la Polarizacioacuten lo mejor es acudir a la norma
ASTM G 59-91 [32] En general los pasos a seguir de acuerdo a la norma son los siguientes
Usar un puente salino que acerque el electrodo de referencia a 2 o 3 mm de la superficie
del electrodo de trabajo
Registrar el potencial de corrosioacuten despueacutes de 5 minutos
Aplicar un potencial 30 mV maacutes negativo que el potencial registrado
Un minuto despueacutes de que se aplique el potencial se inicia un barrido con direccioacuten anoacutedica
a 06 Vh (10 mVmin) registrando el potencial y la corriente continuamente
Terminar el barrido cuando se alcanza un valor de 30 mV positivo que el potencial de
corrosioacuten
Graficar la curva de polarizacioacuten
Determinar graacuteficamente la resistencia a la polarizacioacuten como la tangente a la curva en el
origen de la graacutefica
Ec 17
33
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE)
La teacutecnica de Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica es un meacutetodo electroquiacutemico
utilizado en estudios de corrosioacuten el cual se basa en el uso de una sentildeal de corriente alterna (CA)
que es aplicada a un electrodo (metal en corrosioacuten) y determinando la respuesta correspondiente
En el procedimiento experimental comuacutenmente utilizado se aplica una sentildeal sinusoidal de
voltaje y se mide su respuesta en corriente a diferentes frecuencias aunque es posible aplicar una
pequentildea cantidad de corriente y medir la respuesta del potencial El voltaje la corriente y la
frecuencia son relacionadas por la impedancia en una forma anaacuteloga a la ley de Ohm
V = IZ
Donde Z es la impedancia del circuito A diferencia de la resistencia la impedancia de un
circuito puede depender de la frecuencia aplicada
Cuando se aplica una sentildeal de CA incluso en un sistema de corrosioacuten sencillo se comporta
de manera maacutes complicada que una sola resistencia Pues existe tambieacuten una capacitancia la de la
doble capa electroquiacutemica (Cdl) que es debida a la carga de las especies existentes en la interfase
metal-electrolito y que se encuentra presente en todos los sistemas corrosivos Ademaacutes estaacute la
resistencia de la solucioacuten (Rs) para que se le permita La combinacioacuten de estos tres componentes
proporciona un circuito equivalente simple para un metal que se corroe Dicho circuito es una
combinacioacuten de elementos eleacutectricos tales como resistores y capacitores lo que da la misma
respuesta a sentildeales eleacutectricas como el metal real que se corroe [30] El circuito simple descrito
anteriormente se muestra en la Figura 118
Figura 118 Circuito equivalente simple
Los espectros de impedancia se pueden utilizar para identificar y cuantificar las
capacitancias en el sistema y para separar diferentes resistencias por ejemplo la resistencia de la
solucioacuten y la resistencia a la polarizacioacuten A altas frecuencias la resistencia de la solucioacuten se puede
cuantificar A frecuencias maacutes bajas los diferentes tipos de procesos se producen en diferentes
Ec 18
34
escalas de tiempo (en diferentes frecuencias) y puede ser posible identificar los procesos de
difusioacuten o los fenoacutemenos de adsorcioacuten y desorcioacuten [3031]
1671 Representaciones graacuteficas
Solamente existen dos maneras de representar los valores experimentales de la espectroscopia de
impedancia electroquiacutemica
1 Diagramas de Nyquist Tipo de representacioacuten maacutes comuacuten que consiste en graficar los
valores de la impedancia real frente a los de la impedancia imaginaria Estos diagramas
permiten identificar la resistencia del electrolito la resistencia a la transferencia de carga y
la resistencia a la polarizacioacuten [3031] en la mayor parte de los casos La Figura 119
muestra un ejemplo de este tipo de diagramas
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist
2 Diagramas de Bode En este tipo de representaciones se pueden obtener dos diagramas el
moacutedulo de la impedancia y el aacutengulo de fase (Figura 120) Tambieacuten en funcioacuten de la parte
real o la imaginaria pero en escala logariacutetmica Ambos graacuteficos son particularmente uacutetiles
cuando existen constantes de tiempo con valores muy proacuteximos que no se pueden distinguir
en los diagramas de Nyquist
35
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b) Moacutedulo de
impedancia
1672 Ecuacioacuten de Brug
Como bien se sabe el objetivo de los experimentos de EIS es a menudo extraer la capacitancia de
las peliacuteculas (posiblemente como una funcioacuten del potencial aplicado) y por lo tanto para obtener
informacioacuten sobre las propiedades dieleacutectricassemi-conductoras de dichas peliacuteculas Sin embargo
en diversos sistemas la estimacioacuten de la capacitancia es difiacutecil debido a que un comportamiento
de elemento de fase constante (CPE) se observa en lugar de un comportamiento capacitivo
Brug [33] propuso una foacutermula (Ec 19) que relaciona la resistencia del electrolito (Re) y
la resistencia a la transferencia de carga (Rtc) donde es posible calcular la capacitancia contenida
en el CPE
119862 = 1198761
120572[119877119890minus1 + 119877119905119888minus1]1minus120572
120572
Donde C es la capacitancia Q es el factor de Brug Re es la resistencia del electrolito Rtc
es la resistencia a la transferencia de carga y α es la pendiente de la impedancia calculada a bajas
frecuencias
Ec 19
36
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental
21 Preparacioacuten superficial de muestras
A partir de una laacutemina de acero 1018 de 150 x 1 m se cortaron 48 placas de 10 x 2 cm cada una
con una cizalla ya que se necesitaba que cada muestra fuera perfectamente paralela para el proceso
de electrodeposicioacuten
Las placas de acero presentaban una capa de oacutexido por lo que se siguioacute la norma ASTM
G1 [34] para decapar cada muestra durante 10 minutos en HCl al 50 (Ver figura 21) para
posteriormente lavarse con agua potable y asiacute pasar al lijado con granulometriacutea 180 240 320 400
y 600 Seguido de un lavado con agua destilada para eliminar residuos de material removido y
finalizando con un bantildeo de acetona para retirar cualquier resto de humedad y grasa
Figura 21 Decapado de muestras
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos
Para los electrodepoacutesitos con influencia de un campo magneacutetico se utilizaron dos imanes de
neodimio sin embargo no teniacutean sentildealizacioacuten alguna para diferenciar sus polos ni se conociacutea el
valor del campo Entonces se utilizoacute una bruacutejula para determinar el norte y sur de cada imaacuten asiacute
como se aprecia en la Figura 22
37
Figura 22 Determinacioacuten de los polos
Y el campo magneacutetico se midioacute con un gausiacutemetro Marca RFL modelo 91 (Figura 23)
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico
23 Preparacioacuten del electrolito
Para el proceso de electrodeposicioacuten se empleoacute un bantildeo Watts estaacutendar [35] cuya composicioacuten se
presenta en la Tabla 21
38
Para la deposicioacuten electroliacutetica sin campo se preparoacute un litro de solucioacuten y para la que teniacutea
influencia de campo magneacutetico se hicieron dos litros
24 Obtencioacuten de recubrimientos
Para las electrodeposiciones se utilizoacute una fuente de poder marca Good Will Instrumets modelo
GPR-3510HD En cuya terminal negativa se conectoacute el caacutetodo (acero 1018) y en la positiva el
aacutenodo (niacutequel soacutelido Figura 24) Ambos electrodos se colocaron paralelamente cara con cara
Figura 24 Rondelas de niacutequel
Los electrodepoacutesitos de niacutequel sobre acero 1018 con y sin influencia de campo magneacutetico
se llevaron a cabo a voltaje constante siendo eacuteste de 4 V midiendo la corriente resultante al
finalizar el proceso las muestras se lavaron con agua destilada y se dejaron secar al ambiente Se
realizaron seis condiciones diferentes tal como lo muestra la Tabla 22
En el caso de los electrodepoacutesitos en presencia de campo magneacutetico se utilizaron dos
imanes de Neodimio (Valor fluctuante de 15 a 34 T) los cuales se instalaron en la cuba
electroliacutetica el polo norte cerca del aacutenodo y el polo sur del caacutetodo tal como lo muestra la Figura
25
39
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con imanes de
neodimio
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos
Las muestras electrodepositadas con y sin presencia de campo magneacutetico se fijaron a una celda
de acriacutelico con un aacuterea de exposicioacuten de 133 cm2 en dicha celda se vertioacute una solucioacuten de NaCl
al 3 en peso se colocoacute una tapa y se introdujeron un electrodo de referencia de AgAgCl y un
contra-electrodo de grafito Dicha celda se conectoacute a un potenciostato marca Bio-logic modelo
SP-150 controlado mediante una computadora de escritorio con su respectivo software El
dispositivo utilizado para las pruebas se puede ver en la Figura 26a
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el electrodo de
referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo (ET)
40
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
Se utilizoacute la teacutecnica de RP en modo potenciodinaacutemico en un intervalo de plusmn 20 mVEcorr a una
velocidad de barrido de 01667 mVs haciendo la respectiva curva de polarizacioacuten mediante la
computadora Previo a esto el electrodo de trabajo se dejoacute estabilizar en el electrolito (NaCl al 3
peso) durante 30 minutos
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica
Al teacutermino de la medicioacuten de la RP el electrodo de trabajo se dejoacute a circuito abierto durante 15
minutos Posteriormente se utilizoacute la teacutecnica EIE en un intervalo de frecuencias de 50 kHz a 50
mHz a 7 puntos por deacutecada y 10 mV de perturbacioacuten
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos
Para la caracterizacioacuten superficial las placas se cortaron en una maacutequina dobladora a una medida
de 2 x 2 cm para asiacute poder ingresar a ciertos equipos Se eligioacute una muestra de cada condicioacuten
tanto con y sin influencia de campo magneacutetico
261 Dureza
Los estudios de dureza fueron obtenidos con un microduroacutemetro de Vickers marca
Mitutoyo Colocando las placas en el portamuestras del microscopio se hizo incidir el indentador
de diamante aplicando una carga de 10 kgf durante 20 s para un acero suave [36] Este
procedimiento se realizoacute 5 veces por muestra para obtener un promedio de dureza
262 Rugosidad
Se utilizoacute un rugosiacutemetro marca Mitutoyo modelo Surftest-402 Las muestras se colocaron
en una superficie plana y sobre ella se situoacute el palpador con punta coacutenica tal como lo muestra la
Figura 27 posteriormente se calibroacute dicha punta y entonces el equipo realizoacute un pequentildeo recorrido
sobre la superficie con el que determinoacute la rugosidad de cada muestra en microm
41
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido
Para esta caracterizacioacuten de las placas se utilizoacute el Microscopio Electroacutenico de Barrido de
alto-bajo vaciacuteo Jeol JSM 6610LV con un voltaje de 20 kV y una distancia de trabajo de 10 mm
Las placas se colocaron en un portamuestras (Figura 28) y se analizaron a alto vaciacuteo Las imaacutegenes
se formaron con una sentildeal de electrones secundarios a 500 1000 y 5000X
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
Se utilizoacute un Microscopio de Fuerza Atoacutemica marca Asylum Research modelo Cypher que cuenta
con una punta de silicio que tiene una constante de 2 Nm (conforme se va desgastando va
disminuyendo su valor)
Para las muestras sin influencia de campo magneacutetico se utilizoacute el modo contacto es decir
la fuerza entre la punta y la muestra son constantes En el caso de las muestras con influencia de
campo magneacutetico que mostraron una superficie menos rugosa y maacutes faacutecil de medir
topograacuteficamente se usoacute el modo no contacto por lo que la punta no tocaba la muestra sino que
42
oscilaba a una distancia de entre 1 y 10 nm Todas las imaacutegenes se obtuvieron en un aacuterea de 10 x
10 microm a una velocidad de barrido de 10 Hz escaneando 512 liacuteneas generadas por 512 puntos en
zonas especiacuteficas
265 Difraccioacuten de rayos X
Para esta caracterizacioacuten se utilizoacute un difractoacutemetro de rayos X marca Siemens modelo D5000
Las condiciones de operacioacuten fueron las siguientes velocidad de barrido de 05 s incrementos de
0035cps 35 kV y 25 mA El intervalo de aacutengulo seleccionado fue 2θ = 30 a 120deg que es el
rango donde aparecen la mayoriacutea de los picos caracteriacutesticos del niacutequel [37]
43
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten
Para una mejor comprensioacuten de los resultados eacutestos se presentan de manera comparativa en
funcioacuten del tiempo de electrodeposicioacuten con y sin campo magneacutetico analizando dichos
recubrimientos con las teacutecnicas electroquiacutemicas planteadas en el capiacutetulo de metodologiacutea
experimental tambieacuten se realizaron anaacutelisis del comportamiento de las propiedades fiacutesicas tales
como dureza rugosidad y espesor para determinar la influencia del campo magneacutetico durante la
electrodeposicioacuten de niacutequel
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos
La Figura 31b muestra las reacciones que se llevaron a cabo en el proceso de electrodeposicioacuten
Como ya se sabe en el aacutenodo se lleva a cabo la oxidacioacuten del niacutequel y en el caacutetodo la reduccioacuten
del mismo Sin embargo en el caacutetodo tambieacuten se lleva a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten del
hidroacutegeno ya que el medio usado para la electrodeposicioacuten es aacutecido (pH = 3) por ello la eficiencia
en el caacutetodo no es del 100
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni
311 Caacutelculo de masa depositada
Para conocer la masa de Ni depositada en el acero 1018 se realizaron mediciones de peso antes y
despueacutes de que las placas fueran sometidas al proceso de electrodeposicioacuten Sin embargo como el
aacuterea de electrodepoacutesito no es la misma en todas las placas se compara la masa depositada por
centiacutemetro cuadrado tal como lo muestra la Tabla 31
44
En la tabla 31 se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten de
niacutequel la masa por unidad de aacuterea aumenta Esto se cumple para ambas temperaturas (30degC y 60degC)
y ambas condiciones (sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico) sin embargo se demostraraacute
maacutes adelante que el aumento de masa no es garantiacutea de una reduccioacuten de la velocidad de corrosioacuten
(Grafico 31) Es importante sentildealar que tanto a 30degC como a 60degC la masa de niacutequel disminuye
cuando se utiliza el campo mageacutentico sin embargo a 30degC esto no se cumple debido a que hay un
aumento de masa
312 Eficiencia en corriente
Es importante mencionar que en todos los electrodepoacutesitos la corriente final era menor que la
inicial Dicha caiacuteda de corriente se debioacute a la formacioacuten de una capa de oacutexido en el aacutenodo Figura
32 lo que ocasionoacute una disminucioacuten en la entrega de cationes (Ni2+) a la solucioacuten
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido
La eficiencia en corriente se evaluoacute con la foacutermula del Anexo 1-A y se tomoacute el valor de la
corriente inicial para dicho caacutelculo Los resultados se muestran en la Tabla 32 Mientras que
Ferreira y Colnago [12] reportaron obtener eficiencias del doble para sus peliacuteculas de cobre en
45
este caso se puede notar que la presencia del campo magneacutetico provoca una disminucioacuten en el
rendimiento del sistema
La fuente de poder se debe regular para poder otorgar los 4 V que el proceso de
electrodeposicioacuten requiere y desde el momento en que se enciende el aparato empieza a mandar
corriente Por ello ciertas eficiencias sobrepasan el 100 pues el tiempo de ajuste se excedioacute maacutes
de 50 segundos
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
En la Figura 33 se observan los resultados de la resistencia a la polarizacioacuten en funcioacuten de la
temperatura y del tiempo de exposicioacuten A 60degC se observa que el campo magneacutetico provoca una
disminucioacuten de la resistencia a la polarizacioacuten para los diferentes tiempos de electrodepoacutesito
realizados lo cual se traduce en un aumento de la velocidad de corrosioacuten de acuerdo con la
ecuacioacuten de Stern y Geary (Ec 14) Este efecto de disminucioacuten de la Rp tambieacuten se observa en
los datos a 30degC con excepcioacuten del tiempo 7 minutos
46
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal
En la Tabla 33 se presentan las variaciones de icorr y Vcorr sin campo magneacutetico y en
presencia de campo magneacutetico a 30deg y 60deg en funcioacuten del tiempo de electrodepoacutesito
En la Graacutefica 31 se puede observar que a 60degC con mayor tiempo de electrodeposicioacuten de
Ni disminuye la Vcorr Sin embargo se puede notar que con la presencia del campo las velocidades
de corrosioacuten son mayores pero respetando la tendencia antes mencionada
60degC17min CM
60degC17min SC
60degC12min CM
60degC12min SC
60degC7min CM
60degC7min SC
30degC17min CM
30degC17min SC
30degC12min CM
30degC12min SC
30degC7min CM
30degC7min SC
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Rp (Ohm cm2)
47
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de electrodeposicioacuten
La tabla 34 muestra los valores de Ecorr para ambas temperaturas (30degC y 60degC) y en las
dos condiciones ensayadas (sin campo y con campo) Sin campo magneacutetico y con excepcioacuten de
30degC y 17 min se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten el Ecorr se
desplaza hacia valores menos negativos al mismo tiempo que la Vcorr disminuye (Tabla 33) De
acuerdo con la Teoriacutea de Potencial Mixto explicada por Evans el sistema se encuentra bajo un
control tipo anoacutedico es decir que la reaccioacuten de oxidacioacuten de niacutequel se desplaza para dar un Ecorr
menos negativo al mismo tiempo que reduce la Vcorr
1198731198942+ + 2119890minus harr 119873119894deg
Sin embargo a 30degC y 17 min el sistema se encuentra bajo control catoacutedico debido a que
persiste la disminucioacuten de Vcorr ahora con un cambio en el potencial hacia valores maacutes negativos
Al comparar los valores de Ecorr sin campo magneacutetico con los de campo magneacutetico se observa que
para la temperatura 60degC los valores de Ecorr se desplazan hacia valores maacutes electronegativos
Como se discutioacute anteriormente esto se debe a un control cineacutetico tipo anoacutedico Cuando se
considera la temperatura de 30degC se observa un desplazamiento hacia valores menos negativos es
7min 12min 17min
000
002
004
006
008
010
Vco
rr (
mm
an
o)
Tiempo de electrodeposicion
60degC Sin campo
60degC Con campo
30degC Sin campo
30degC Con campo
48
decir la cineacutetica estaacute controlada por la reaccioacuten catoacutedica Diversos trabajos reportan este mismo
efecto en donde el campo magneacutetico tiene un efecto sobre la reaccioacuten de reduccioacuten de oxiacutegeno
1198742 + 21198672119874 + 4119890minus harr 4119874119867minus
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica
Como se mencionoacute previamente en el apartado 167 referente a la teacutecnica de impedancia
mediante esta teacutecnica es posible evidenciar y cuantificar el efecto que tiene la capacitancia de una
interface electroquiacutemica y asiacute proporcionar informacioacuten complementaria al estudio de corrosioacuten
Las graacuteficas 32 33 y 34 correspondientes a los diagramas de Nyquist obtenidos en los
tres diferentes tiempos de electrodeposicioacuten a 60degC con y sin influencia de campo magneacutetico
Revelan en los tres casos que el campo magneacutetico disminuye la resistencia a la transferencia de
carga (Rtc) es decir el proceso de corrosioacuten se ve favorecido tal como se pudo mostrar en los
resultados de resistencia a la polarizacioacuten De igual manera se observa una disminucioacuten en la
resistencia del electrolito (Rs) esto debido a la fuerza convectiva (visible) que ejerce el campo
magneacutetico en el electrolito el cual provoca una mejor difusioacuten de los iones dicha informacioacuten es
consistente a lo reportado por Calivar e Ispas [67]
49
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
500
1000
1500
2000 50 mHz
60degC 7min SC
60degC 7min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
1000
2000
3000
50 mHz
60degC 12min SC
60degC 12min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
50 kHz
50 mHz
Re(Z) (Ohm cm2)
50
Graacutefica 34 EIE de 60degC 17min
34 Dureza Rugosidad y Espesor
La Tabla 35 muestra que la aplicacioacuten de un campo magneacutetico durante el proceso de
electrodeposicioacuten de niacutequel provoca que la dureza disminuya lo que significa que el recubrimiento
es menos susceptible a fracturarse este resultado es similar a lo reportado por Zielinski [11] y la
disminucioacuten de fracturas en sus peliacuteculas de Co-W ante la presencia de un campo magneacutetico
Tambieacuten es importante sentildealar que la rugosidad de cada niquelado presentoacute un
empobrecimiento lo que significa que el campo magneacutetico ayuda a obtener recubrimientos maacutes
uniformes
0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000
0
3000
6000
9000
12000
15000
18000 50 mHz
60degC 17min SC
60degC 17min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
51
Los espesores fueron calculados mediante la foacutermula que aparece en el Anexo 1-B y se
puede notar que eacuteste decrece ante la presencia del campo magneacutetico Esto se puede constatar de
igual forma a partir de los datos de impedancia los cuales permitieron calcular los valores de
capacitancia a partir de la ecuacioacuten de Brug (Ec 19) cuyos resultados se muestran en la Tabla
36
Como se puede observar los valores de capacitancia con el campo magneacutetico son mayores
en un orden de magnitud que aquellos donde no existe el campo permitiendo confirmar que el
espesor maacutes delgado se encuentra con la influencia del campo
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
A continuacioacuten se muestran las imaacutegenes topograacuteficas obtenidas en el MFA Con lo cual se puede
corroborar que ocurre una disminucioacuten en la rugosidad de las peliacuteculas de niacutequel con presencia de
campo magneacutetico
52
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC-7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC-12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC-17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
36 Difraccioacuten de Rayos X
Los patrones de difraccioacuten de los recubrimientos de Ni en acero 1018 Figura 37 se caracterizan
por la presencia de los planos de la estructura cuacutebica centrada en las caras de acuerdo al PDF 03-
065-4899 [32] Esta fase cristalina estuvo presente en todos los recubrimientos
De acuerdo con lo reportado por Hu [33] la energiacutea de activacioacuten para la evolucioacuten de
hidroacutegeno es mayor en el plano (111) que en el plano (200) del Ni Dicho de otra manera en el
53
plano (200) habraacute maacutes produccioacuten de hidroacutegeno gaseoso durante el proceso de electrodeposicioacuten
de niacutequel lo que trae consigo posiblemente recubrimientos porosos
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia de campo
magneacutetico
Para los depoacutesitos en presencia de campo magneacutetico a 7 y 12min se observa una orientacioacuten
preferencial en el plano (200) sin embargo el pico a 7min es mucho mayor que el de 12
comparando estos resultados con las pruebas electroquiacutemicas y de acuerdo a los reportado por Hu
[33] esto nos lleva a suponer que en este caso el recubrimiento es maacutes poroso y delgado de acuerdo
a las medidas de espesor (Tabla 35) Para el caso de 17min con campo magneacutetico se tiene una
orientacioacuten preferencial en el plano (111) esta muestra tiene un mejor comportamiento
electroquiacutemico de acuerdo a la Figura 33 ademaacutes de acuerdo a lo reportado por Hu [33] nos lleva
a deducir que este recubrimiento es el menos poroso de los tres con campo magneacutetico Lo anterior
explica por queacute la velocidad de corrosioacuten es mayor a 7min y va disminuyendo conforme aumenta
el tiempo de electrodeposicioacuten Y tambieacuten revela la causa por la que el potencial de corrosioacuten es
maacutes negativo en presencia del campo magneacutetico La porosidad tambieacuten nos explica la razoacuten por la
cual la dureza de los recubrimientos hechos en presencia del campo magneacutetico disminuye con
respecto a aquellos realizados en ausencia del mismo
40 45 50 55 600
4000
8000
12000
16000
20000
17min SC
17min CM
12 min CM
12 min SC
7min CM
Inte
nsid
ad
(U
A)
2 (grados)
60degC-7min SC
60degC-12min SC
60degC-17min SC
60degC-7min CM
60degC-12min CM
60degC-17min CM
Ni
7min SC
(111) (200)
54
La existencia de los poros en el recubrimiento propicia un par galvaacutenico Figura 38 entre
el niquelado electroliacutetico y el acero 1018 ya que este uacuteltimo es maacutes electronegativo por
consiguiente maacutes propenso a la corrosioacuten Tambieacuten estaacute el efecto de las diferencias de aacutereas entre
aacutenodo (acero) y caacutetodo (niquelado) siendo en este caso el caacutetodo quien posee mayor aacuterea de
exposicioacuten al ambiente es el aacutenodo quien se corroeraacute maacutes faacutecil y raacutepidamente
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni
37 Microscopia Electroacutenica de Barrido
Las Figuras 39 310 y 311 muestran las imaacutegenes obtenidas en el MEB de los recubrimientos de
Ni a 60degC 7min 12min y 17min respectivamente Se aprecia una morfologiacutea maacutes uniforme con la
presencia de campo magneacutetico y las aglomeraciones de partiacuteculas metaacutelicas son mucho maacutes
grandes que sus homoacutelogos sin influencia del campo
55
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y sin influencia
de campo magneacutetico
56
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min con y sin
influencia de campo magneacutetico
57
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min con y sin
influencia de campo magneacutetico
58
Conclusiones
A partir de los resultados experimentales obtenidos en el presente trabajo se puede concluir lo
siguiente
La eficiencia de electrodepositacioacuten es funcioacuten de la pureza del aacutenodo y de la corriente
aprovechada por la reaccioacuten de reduccioacuten de hidroacutegeno
El aumento en el tiempo de electrodepositacioacuten conduce a un aumento en la masa de niacutequel
electrodepositada esto es vaacutelido para la condicioacuten sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico
sin embargo esto no garantiza la disminucioacuten de Vcorr
Sin campo magneacutetico los resultados obtenidos a 30degC y 60degC muestran que la Vcorr
disminuye conforme el tiempo de electrodepoacutesito de niacutequel aumenta Tambieacuten en ausencia del
campo las Vcorr obtenidas a 30degC son menores comparadas con las Vcorr a 60degC a excepcioacuten de
17 min
Sin campo magneacutetico se observa que la degradacioacuten del niquelado estaacute controlada por una
cineacutetica anoacutedica lo cual es vaacutelido para 30degC y para 60degC con excepcioacuten de 30degC y 17 min donde
la cineacutetica que controla es catoacutedica Asimismo a 30degC con campo magneacutetico se observa que la
cineacutetica que controla el sistema es la catoacutedica lo cual sugiere que la reaccioacuten de reduccioacuten de
oxiacutegeno ser manipulada por el campo magneacutetico
En presencia del campo magneacutetico se encontroacute que la resistencia de la solucioacuten disminuyoacute
tanto a 30degC como a 60degC debido a una fuerza adicional convectiva que provoca el campo
magneacutetico
La Vcorr es dependiente de la cantidad de masa depositada pero tambieacuten del ordenamiento
cristalino que los aacutetomos de niacutequel adquieren al momento del electrodepoacutesito
En presencia del campo magneacutetico las micrografiacuteas MEB revelan superficies con menos
rugosidad respecto a las muestras sin campo magneacutetico
A 60degC hay poca o nula contribucioacuten del campo magneacutetico mientras que a 30degC si hay una
contribucioacuten del campo pero es negativa respecto a la Vcorr
59
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62
Anexo 1 Caacutelculos
1-A Caacutelculo de eficiencia
En la praacutectica la corriente suministrada a un sistema no es aprovechada al 100 pues hay
peacuterdidas de corriente por diversos motivos entre otros
a) Desviacioacuten de corriente por caminos secundarios
b) Impurezas de las soluciones (las cuales dan reacciones secundarias)
c) Resistencia eleacutectrica propia del bantildeo electroliacutetico
d) Peacuterdidas por transformacioacuten de energiacutea eleacutectrica a energiacutea caloriacutefica
e) Fenoacutemenos de polarizacioacuten
Entonces se puede decir que
Eficiencia en corriente = 119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119905119890oacute119903119894119888119886
119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119904119906119898119894119899119894119904119905119903119886119889119886 119903119890119886119897x100
1-B Caacutelculo de Espesor
El meacutetodo maacutes satisfactorio para medir el espesor promedio de una capa es disolverla y determinar
el peso de la misma a partir de una muestra cuya aacuterea se conozca en el caso de este estudio se
pesaron las placas antes y despueacutes del electrodepoacutesito para determinar la masa depositada El
espesor se calcula asiacute a partir del peso y del aacuterea y de la densidad o peso especiacutefico del depoacutesito
utilizando la foacutermula
T (espesor) = 119862119882 (119901119890119904119900)
119860(aacute119903119890119886)times119863(119901119890119904119900 119890119904119901119890119888iacute119891119894119888119900)
En donde C es una constante que depende simplemente de las unidades utilizadas En
unidades meacutetricas la ecuacioacuten se transforma en
T(mm) = 10119882(119892119903)
119860(1198881198982)times119863
63
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 7min
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 12min
-0000006 -0000003 0000000 0000003
-040
-038
-036
-034
-032
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
-0000004 -0000002 0000000 0000002
-035
-034
-033
-032
-031
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
64
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 17min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 7min
-00000006 -00000003 00000000 00000003 00000006
-026
-024
-022
-020
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
-00000027 -00000018 -00000009 00000000 00000009 00000018
-028
-024
-020
-016
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
65
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 12min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 17min
-0000004 -0000002 0000000 0000002 0000004
-038
-036
-034
-032
-030
-028
-026
-024
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
-0000006 -0000003 0000000 0000003 0000006 0000009
-032
-031
-030
-029
-028
-027
-026
-025
-024
-023
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
v
Iacutendice Iacutendice de Tablas ix
Iacutendice de Figuras x
Nomenclatura xiii
Resumen xiv
Abstract xiv
Introduccioacuten 1
Justificacioacuten 2
Objetivo General 3
Objetivos Especiacuteficos 3
Hipoacutetesis 4
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico 5
11 Antecedentes 5
12 Generalidades 7
121 El campo magneacutetico 7
122 Definicioacuten de corrosioacuten 8
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten 8
1231 Corrosioacuten seca 8
1232 Corrosioacuten huacutemeda 9
124 Tipos de ataque por corrosioacuten 10
125 Celdas electroquiacutemicas 11
1251 Celda galvaacutenica 12
1252 Celda electroliacutetica 13
13 Principios Electroquiacutemicos 14
131 Electrolitos 14
vi
1311 Tipos de electrolitos 14
132 Ley de Ohm 15
133 Leyes de Faraday 15
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary 16
14 Control de la corrosioacuten 17
141 Proteccioacuten catoacutedica 17
142 Inhibidores de corrosioacuten 18
143 Recubrimientos protectores 18
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos 19
15 Galvanoplastia 19
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten 19
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel 21
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel 21
1522 Condiciones de operacioacuten 23
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel 24
1524 Niquelado en diferentes metales base 25
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten 26
161 Dureza 26
1611 Ensayo de dureza Vickers 26
162 Rugosidad 27
1621 El perfiloacutemetro 27
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB) 28
1631 Componentes baacutesicos del MEB 29
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA) 29
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX) 30
vii
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X 31
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP) 32
1661 Procedimiento experimental 32
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE) 33
1671 Representaciones graacuteficas 34
1672 Ecuacioacuten de Brug 35
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental 36
21 Preparacioacuten superficial de muestras 36
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos 36
23 Preparacioacuten del electrolito 37
24 Obtencioacuten de recubrimientos 38
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos 39
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal 40
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica 40
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos 40
261 Dureza 40
262 Rugosidad 40
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido 41
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 41
265 Difraccioacuten de rayos X 42
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten 43
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos 43
311 Caacutelculo de masa depositada 43
312 Eficiencia en corriente 44
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal 45
viii
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica 48
34 Dureza Rugosidad y Espesor 50
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 51
36 Difraccioacuten de Rayos X 52
Conclusiones 58
Bibliografiacutea 59
Anexo 1 Caacutelculos 62
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten 63
ix
Iacutendice de Tablas
Tabla 11 Paraacutemetros termodinaacutemicos de las celdas electroquiacutemicas 11
Tabla 12 Serie galvaacutenica 12
Tabla 13 Ejemplos de electrolitos y no electrolitos 15
Tabla 21 Composicioacuten del bantildeo Watts 37
Tabla 22 Condiciones de operacioacuten 38
Tabla 31 Masa depositada en cada centiacutemetro cuadrado 44
Tabla 32 Valores de eficiencia 45
Tabla 33 Valores de icorr y Vcorr con y sin campo magneacutetico 46
Tabla 34 Valores de potencial de corrosioacuten 48
Tabla 35 Valores de dureza rugosidad y espesor para recubrimientos de Ni con y sin
influencia de campo magneacutetico
51
Tabla 36 Valores de capacitancia para recubrimientos de Ni con y sin presencia de
campo magneacutetico
51
x
Iacutendice de Figuras
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver 5
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes
(izq) Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico
aplicado
6
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas
(izq) Con campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
6
Figura 14 El campo magneacutetico 7
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca 9
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda 10
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten 11
Figura 18 Celda galvaacutenica 13
Figura 19 Celda electroliacutetica 14
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de
sacrificio de magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
18
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre 20
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante ensayo de dureza
27
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro 27
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y de
fotones por la interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
28
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB 29
Figura 116 Funcionamiento de un MFA 30
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X 31
Figura 118 Circuito equivalente simple 33
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist 34
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b)
Moacutedulo de impedancia
35
Figura 21 Decapado de muestras 36
xi
Figura 22 Determinacioacuten de los polos 37
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico 37
Figura 24 Rondelas de niacutequel 38
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con
imanes de Neodimio
39
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el
electrodo de referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo
(ET)
39
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad 41
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB 41
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni 43
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido 44
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal 46
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC 7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC 12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC 17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia
de campo magneacutetico
53
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni 54
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y
sin influencia de campo magneacutetico
55
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min
con y sin influencia de campo magneacutetico
56
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min
con y sin influencia de campo magneacutetico
57
xii
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de
electrodeposicioacuten
47
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min 49
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min 49
Graacutefica 34 EIE de 60degC a 17min 50
xiii
Nomenclatura
Ni ndash Niacutequel
T ndash Tesla
M ndash Metal
A ndash Ampere
Ec ndash Ecuacioacuten
ER ndash Electrodo de Referencia
ET ndash Electrodo de Trabajo
EA ndash Electrodo Auxiliar
Ecorr ndash Potencial de corrosioacuten
Vcorr ndash Velocidad de corrosioacuten
Rp ndash Resistencia a la polarizacioacuten
Rtc ndash Resistencia a la transferencia de carga
Rs ndash Resistencia del electrolito o de la solucioacuten
EIE ndash Espectroscopiacutea de impedancia electroquiacutemica
MFA ndash Microscopiacutea de fuerza atoacutemica
DRX ndash Difraccioacuten de rayos X
MEB ndash Microscopiacutea electroacutenica de barrido
SC ndash Sin campo magneacutetico
CM ndash Con campo magneacutetico
HV ndash Dureza Vickers
xiv
Resumen
En este estudio se obtuvieron recubrimientos de niacutequel con y sin presencia de campo magneacutetico a
60degC a 7 12 y 17 min sobre sustratos de acero al carbono AISI 1018 a partir de una solucioacuten tipo
Watts claacutesica Las propiedades de los recubrimientos se estudiaron mediante DRX MEB MFA
duroacutemetro y rugosiacutemetro tambieacuten se estudioacute el comportamiento electroquiacutemico de las peliacuteculas
mediante RP y EIE y ademaacutes se realizaron caacutelculos de capacitancia icorr velocidad de corrosioacuten
y espesor En general el campo magneacutetico tiene una influencia negativa en las propiedades fiacutesicas
y quiacutemicas de un electrodeposito de Ni en acero AISI 1018 Los detalles son discutidos en esta
investigacioacuten
Abstract
In this study nickel coatings were obtained with and without the presence of magnetic field at 60degC
for 7 12 and 17 min on substrates of AISI 1018 carbon steel from a classical type Watts solution
The properties of the coatings were studied by XRD SEM AFM hardness tester and roughness
tester the electrochemical behavior of the films was also studied through RP and EIE and also
capacitance calculations icorr corrosion rate and thickness were made In general the magnetic
field has a negative influence on the physical and chemical properties of an electrodeposited Ni
steel AISI 1018 The details are discussed in this research
1
Introduccioacuten
En los Reactores de agua en ebullicioacuten (BWR por sus siglas en ingleacutes) la radioacutelisis del agua
produce un medio altamente oxidante [1] que genera que los materiales estructurales presenten un
elevado potencial electroquiacutemico de corrosioacuten (PEC) cuando estaacuten en contacto con el agua en el
BWR Este PEC incrementa la propensioacuten a experimentar agrietamiento por corrosioacuten bajo
esfuerzos (SCC) [2] y agrietamiento por corrosioacuten intergranular bajo esfuerzos (IGSCC) [3] en los
materiales de los componentes internos tales como acero inoxidable aleaciones base niacutequel y las
zonas afectadas por el calor (HAZ) propias de un proceso de soldadura Ademaacutes en las condiciones
de alta temperatura del reactor BWR se forma una capa de oacutexido que puede ser hematita en
condiciones de alto oxiacutegeno o magnetita en condiciones de bajo oxiacutegeno Este segundo oacutexido es
un imaacuten por naturaleza por lo que este estudio contribuiraacute ademaacutes a discernir y en dado caso a
explicar si la presencia de un oacutexido magneacutetico o de otro que no lo sea tiene una influencia en la
deposicioacuten de recubrimientos alternos para mitigar el agrietamiento por corrosioacuten bajo esfuerzos
(SCC por sus siglas en ingleacutes) de los materiales de componentes internos de reactores BWR
El electrodepoacutesito de niacutequel sobre una superficie metaacutelica se hace con el fin de proteger las
piezas de la corrosioacuten pues posee buenas propiedades anticorrosivas y buena resistencia al
desgaste Los recubrimientos de niacutequel se utilizan en numerosos sectores industriales electroacutenica
componentes eleacutectricos petroquiacutemica automocioacuten etc [4] Por ello el presente trabajo muestra la
utilizacioacuten de un campo magneacutetico de 15 a 34 T (Valor fluctuante) para la obtencioacuten de
recubrimientos de Ni en acero un acero bajo carbono especiacuteficamente el AISI 1018 Las
propiedades de dichos recubrimientos se evaluaron mediante teacutecnicas electroquiacutemicas como Rp y
EIE para determinar las velocidades de corrosioacuten de las peliacuteculas De igual manera se estudiaron
los recubrimientos mediante DRX MEB y MFA Para finalmente establecer la influencia positiva
o negativa de dicho campo magneacutetico en los procesos de deposicioacuten electroliacutetica
2
Justificacioacuten
Para mitigar el SCC de los componentes internos de los BWR [5] en la actualidad se antildeaden sales
como precursores metaacutelicos por ejemplo Na2Pt(OH)6 que se transforman en partiacuteculas metaacutelicas
al entrar en contacto con el acero debido a la diferencia de potencial entre Fe y Pt [6] adhirieacutendose
al acero estructural por medio de procesos de precipitacioacuten Estas partiacuteculas catalizan las reacciones
de recombinacioacuten de especies oxidantes disminuyendo los procesos de corrosioacuten del acero sin
embargo los catalizadores basados en Pt tienen el inconveniente de costo elevado [7]
En este sentido una posible opcioacuten es la electrodeposicioacuten de un metal sobre la superficie
que se interesa proteger pero la efectividad de estos depoacutesitos depende de la preparacioacuten de la
superficie y de aspectos teacutecnicos ya estandarizados en normativas por ejemplo la Norma ISO
1458-1974 ldquoMetallic coatingsrdquo Si bien son de los mejores meacutetodos para proteger un metal auacuten
presentan diversas anomaliacuteas que generan superficies porosas falta de cohesioacuten y peliacuteculas
amorfas lo que conlleva a altos costos de produccioacuten debido a que se debe repetir el proceso y
contaminacioacuten ambiental a causa de los reactivos quiacutemicos usados para limpiar nuevamente la
superficie a recubrir
Debido a lo anterior este estudio tiene por objeto determinar si el campo magneacutetico influye
o no en las propiedades de adherencia rugosidad y eficiencia de un electrodepoacutesito de niacutequel
Siendo los mayores beneficiarios con este trabajo investigativo el ambiente la industria
galvanoplaacutestica y la comunidad electroquiacutemica
3
Objetivo General
Evaluar el efecto de un campo magneacutetico sobre las propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero bajo carbono especiacuteficamente en un acero AISI 1018
Objetivos Especiacuteficos
1- Elaborar electrodepoacutesitos de niacutequel en acero 1018 con y sin presencia de campo magneacutetico
2- Evaluar los electrodepoacutesitos mediante corriente directa y alterna
3- Analizar los electrodepoacutesitos por medio de pruebas fiacutesicas y quiacutemicas
4- Determinar el efecto de un campo magneacutetico en un electrodepoacutesito de niacutequel
4
Hipoacutetesis
El campo magneacutetico provoca una orientacioacuten en los iones yo moleacuteculas del electrolito destinado
a la electrodeposicioacuten con ello se modifican ciertas propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero 1018
5
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico
11 Antecedentes
El efecto de un campo magneacutetico sobre la orientacioacuten de las moleacuteculas durante un proceso de
formacioacuten de un producto ha sido muy poco estudiado En la industria se encuentran algunos casos
sin que haya reportes formales A continuacioacuten se discutiraacuten algunos de ellos
El ldquoFuel Energy Saverrdquo (Figura 11) es un producto de la compantildeiacutea mexicana ldquoEnergy
Saverrdquo se trata de un inductor de resonancia magneacutetica de alta potencia que genera frecuencias
especiacuteficas la cual fractura las cadenas de hidrocarburos alineando y haciendo todas las moleacuteculas
maacutes accesibles al oxiacutegeno lo que se traduce en una mejor combustioacuten con el consiguiente ahorro
de combustible y reduccioacuten de contaminacioacuten [8] Es aplicable para cualquier tipo de combustible
(gas natural gas LP dieacutesel combustoacuteleo gasoacuteleo) y puede ser usado en todo equipo de iacutendole
industrial (hornos calderas calentadores secadores estufas)
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver
Algunas empresas del ramo automotriz (por ejemplo Mercedes Benz) estaacuten empleando el
principio del FES para que por medio un campo magneacutetico se orienten las moleacuteculas del
combustible y de oxiacutegeno antes de que eacutestas sean consumidas La explicacioacuten a este fenoacutemeno fue
dada por Kita amp Kulish [9] que consiste en lo siguiente el combustible se consumiraacute a medida que
haya oxiacutegeno disponible Si en lugar de que el oxiacutegeno se alimente de manera ldquodesordenadardquo eacuteste
pudiera ser orientado antes de entrar a la caacutemara de combustioacuten se lograriacutea un mejor consumo de
combustible-oxiacutegeno lo cual se traduce en mayor potencia en el motor y un mejor
aprovechamiento del combustible es decir habriacutea menor cantidad de contaminantes (NOx y CO2)
en el escape
6
Otro ejemplo del uso de campos magneacuteticos se puede encontrar en la formacioacuten de
calcaacutereos en intercambiadores de calor La industria que sufre de formacioacuten de dichos productos
tambieacuten ha encontrado beneficios con el uso de un campo magneacutetico colocado en el depoacutesito de
agua y se observa que los productos calcaacutereos se desvanecen tal como se aprecia en la Figura 12
La explicacioacuten a este efecto se atribuye nuevamente a la reorientacioacuten de las moleacuteculas dando como
consecuencia una estructura amorfa en lugar de una cristalina caracteriacutestica de los calcaacutereos [10]
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes (izq)
Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico aplicado
Por el lado de las investigaciones cientiacuteficas se tiene el anaacutelisis del efecto de un campo
magneacutetico de 12 T en la electrodeposicioacuten y estructura de las aleaciones cobalto-tungsteno con
ello Zielinski [11] pudo establecer que la aplicacioacuten del campo magneacutetico cambioacute la composicioacuten
quiacutemica y la morfologiacutea de las aleaciones Co-W
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas (izq) Con
campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
7
De la misma manera Ferreira y Colnago [12] estudiaron la influencia del campo magneacutetico
de una resonancia magneacutetica nuclear (RMN) durante la reaccioacuten electroliacutetica del cobre Sus
resultados fueron exitosos pues la reaccioacuten en presencia de un campo magneacutetico de 023 T tuvo
un rendimiento del doble que la de la reaccioacuten en ausencia de dicho campo
Finalmente pero no menos importantes Calivar [13] con su creacioacuten de modelos de
conveccioacuten magneacutetica en electrodeposicioacuten de peliacuteculas delgadas de cobre y tambieacuten Ispas [14]
con su estudio del efecto de un campo magneacutetico de 05 T en la electrodeposicioacuten de la aleacioacuten
Ni-Fe Ambos llegaron a la misma conclusioacuten un campo magneacutetico provoca una conveccioacuten en el
fluido el cual provoca una contribucioacuten adicional de masa-transporte
12 Generalidades
121 El campo magneacutetico
Se trata de un campo que ejerce fuerzas (denominadas magneacuteticas) sobre los materiales Es una
magnitud vectorial pero no produce ninguacuten efecto sobre cargas en reposo (como siacute lo hace el
campo eleacutectrico doacutende las acelera a traveacutes de la fuerza eleacutectrica) Sin embargo el campo magneacutetico
siacute tiene influencia sobre cargas eleacutectricas en movimiento [15]
Por ejemplo en el estado soacutelido si una carga en movimiento atraviesa un campo magneacutetico
la misma sufre la accioacuten de una fuerza magneacutetica que no modifica la velocidad pero siacute la
trayectoria Cabe mencionar que en el estado liacutequido o en el estado gaseoso el efecto del campo
magneacutetico no estaacute bien definido
Figura 14 El campo magneacutetico
8
La unidad de campo magneacutetico en el Sistema Internacional es el tesla (T) Un tesla se define
como el campo magneacutetico que ejerce una fuerza de 1 N (newton) sobre una carga de 1 C (coulomb)
que se mueve a velocidad de 1 ms dentro del campo
122 Definicioacuten de corrosioacuten
Se denomina corrosioacuten al ataque destructivo de un material generalmente metaacutelico por reaccioacuten
quiacutemica o electroquiacutemica con su medio ambiente (atmoacutesfera suelo agua etc)
La reaccioacuten baacutesica de corrosioacuten es
M Mn+ + ne-
De acuerdo con ello tambieacuten es posible definir la corrosioacuten desde un punto de vista maacutes
electroquiacutemico como el traacutensito de un metal de su forma elemental a su forma ioacutenica o combinada
con una respectiva cesioacuten de electrones [16] Dicho de otra manera el metal a traveacutes de la
corrosioacuten retorna a su forma combinada formando oacutexidos sulfuros hidroacutexidos etc Pues asiacute es
como los metales se encuentran habitualmente en la naturaleza por tratarse de formas
termodinaacutemicamente maacutes estables
El proceso de corrosioacuten es natural y espontaacuteneo y cuanto mayor es la energiacutea gastada en la
obtencioacuten del metal a partir del mineral tanto maacutes es la tendencia del metal a regresar a su forma
basal es decir mucho maacutes favorecida termodinaacutemicamente estaacute la reaccioacuten de oxidacioacuten
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten
Tradicionalmente se establecen dos procesos baacutesicos de ataques corrosivos atendiendo al medio
en el que se producen
Corrosioacuten seca
Corrosioacuten huacutemeda
1231 Corrosioacuten seca
Tiene lugar cuando el material se encuentra sometido a la accioacuten de gases principalmente a
temperaturas elevadas por lo que no se tiene un electrolito condensado Este tipo de corrosioacuten es
la que se produce en calderas sobrecalentadores reactores etc en la parte que estaacute en contacto
con los productos de combustioacuten
9
En la corrosioacuten seca los oacutexidos que se forman son de caraacutecter ioacutenico (cationes metaacutelicos y
aniones de oacutexido regularmente distribuidos) La estructura cristalina formada presenta
normalmente defectos reticulares (deficiencias ioacutenicas) a traveacutes de los cuales se produce la
difusioacuten de iones
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca
1232 Corrosioacuten huacutemeda
Tiene lugar cuando el material se encuentra en medios acuosos (Figura 16) Se produce
normalmente a temperatura ambiente o no muy elevada Es la maacutes extendida por cuanto afecta a
un sinfiacuten de elementos en los que el material es usado en tanques tuberiacuteas intercambiadores
precalentadores carcasas estructuras buques etc
Todos los procesos de corrosioacuten involucran transferencia de carga (iones y electrones) en
particular en el caso de corrosioacuten huacutemeda eacutesta se da a traveacutes de soluciones acuosas (electrolitos)
las cuales son eleacutectricamente conductoras En general el proceso requiere de tres etapas
1) Oxidacioacuten Los aacutetomos metaacutelicos aumentan su valencia al ceder electrones convirtieacutendose
en iones positivos los cuales pasan al electrolito
2) Transporte de carga Los electrones son transferidos al caacutetodo
3) Reduccioacuten Reaccioacuten donde se consumen los electrones generados en la oxidacioacuten
Este tipo de corrosioacuten es netamente electroquiacutemico ya que es un proceso en el que se llevan
a cabo reacciones de oxidacioacuten y de reduccioacuten de ahiacute que se conozca coacutemo proceso REDOX Cabe
mencionar que se puede favorecer una reaccioacuten u otra en caso de inclinarse por la oxidacioacuten
10
entonces se da la corrosioacuten y si es la reduccioacuten se puede proteger al metal por ejemplo con
electrodepoacutesitos
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda
124 Tipos de ataque por corrosioacuten
Es importante sentildealar que la corrosioacuten huacutemeda presenta dos tipos de ataque corrosioacuten uniforme y
corrosioacuten localizada
a) Corrosioacuten uniforme homogeacutenea o generalizada El ataque se extiende de forma
homogeacutenea sobre toda la superficie metaacutelica y por tanto la peacuterdida de material es
aproximadamente la misma en todos los puntos A este tipo de ataque se le identifica por
crecimiento 2D debido a que se desarrolla preferentemente a lo largo de la superficie Por
consiguiente es relativamente faacutecil estimar la vida uacutetil de los materiales metaacutelicos que lo
sufren
b) Corrosioacuten localizada El ataque no se distribuye de forma homogeacutenea localizaacutendose por
el contrario en determinadas zonas de la superficie metaacutelica A este tipo de ataque se le
conoce por crecimiento 3D debido a que se desarrolla de manera local dando preferencia a
la profundidad maacutes que a la superficie Dentro de este tipo de corrosioacuten existe a su vez
otra clasificacioacuten que se menciona a continuacioacuten
11
a Corrosioacuten por picadura
b Corrosioacuten por hendidura
c Corrosioacuten galvaacutenica
d Corrosioacuten intergranular
e Corrosioacuten bajo tensioacuten
f Corrosioacuten cavitacioacuten
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten
125 Celdas electroquiacutemicas
En corrosioacuten una celda es un dispositivo en el cual se producen reacciones quiacutemicas de oxidacioacuten
y reduccioacuten El aparato se integra de las siguientes partes sustancia que contiene iones (electrolito)
dos electrodos (caacutetodo y aacutenodo) y una conexioacuten eleacutectrica entre ambos electrodos
Existen dos tipos de celdas las electroliacuteticas que requieren un voltaje externo (fuente de
poder) y las electroquiacutemicas o galvaacutenicas que solamente necesitan un instrumento para registrar
voltaje Por lo cual se dice que las primeras son no espontaacuteneas y las segundas espontaacuteneas
Termodinaacutemicamente una reaccioacuten espontaacutenea presenta una energiacutea libre de Gibbs negativa y la
no espontaacutenea positiva tal como se aprecia en la Tabla 11
12
1251 Celda galvaacutenica
Una celda galvaacutenica (Figura 18) es aquella en la cual la energiacutea quiacutemica es convertida en energiacutea
eleacutectrica por medio de una reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea Esto se debe a que un metal es maacutes activo
y otro maacutes noble aacutenodo y caacutetodo respectivamente seguacuten la serie galvaacutenica por lo que al ser
conectados eleacutectricamente producen un flujo de electrones desde el caacutetodo al aacutenodo Dicho flujo
genera un potencial eleacutectrico que puede ser medido experimentalmente
Los requisitos para que se produzca un proceso de corrosioacuten en una pila galvaacutenica son los
siguientes
1 Dos superficies con distinto potencial electroacutedico
a Una de ellas que constituye al aacutenodo de la reaccioacuten al ceder electrones sufriraacute la
corrosioacuten Es decir aquiacute se lleva a cabo la reaccioacuten de oxidacioacuten Es el polo
negativo
Mdeg Mne- + ne-
b La otra que constituye el caacutetodo ganaraacute los electrones cedidos por el aacutenodo En
esta zona ocurriraacute la reaccioacuten de reduccioacuten Es el polo positivo
Mne- + ne- Mdeg
13
2 Un electrolito conductor ioacutenico que contiene los elementos caracteriacutesticos del medio
corrosivo Es justo aquiacute en el seno de la solucioacuten donde ocurre el transporte de materia
3 Una conexioacuten eleacutectricamente conductora entre el aacutenodo y el caacutetodo para que sea posible
el transporte de carga
Figura 18 Celda galvaacutenica
1252 Celda electroliacutetica
Las celdas electroliacuteticas no son espontaacuteneas por lo que debe aplicarse externamente un potencial
eleacutectrico para que funcionen Al proveer dicha energiacutea se fuerza a que una corriente eleacutectrica pase
por la celda con el fin de generar reacciones quiacutemicas de oacutexido-reduccioacuten en la superficie de los
electrodos de dicha celda Uno de los procesos maacutes conocidos es el electrodepoacutesito de metales
como cobre niacutequel o zinc Es importante puntualizar que aquiacute el aacutenodo estaraacute cargado
positivamente y el caacutetodo negativamente contrario a lo sucedido en las celdas galvaacutenicas
Las partes que conforman a la celda electroliacutetica son las siguientes
1 Electrolito Al igual que en las celdas galvaacutenicas se necesita de un conductor ioacutenico
2 Aacutenodo En este tipo de celdas el aacutenodo posee el polo positivo y aquiacute se lleva a cabo la
oxidacioacuten de la especie electroquiacutemica
3 Caacutetodo Eacuteste es el polo negativo y en eacutel se produce la reduccioacuten de la especie
electroquiacutemica
14
4 Fuente de energiacutea Es quien aplica la energiacutea necesaria para poder invertir el sentido
natural de la corriente dando lugar a una reaccioacuten quiacutemica opuesta a la que se produce
espontaacuteneamente en la pila
Figura 19 Celda electroliacutetica
13 Principios Electroquiacutemicos
131 Electrolitos
Todos los solutos que se disuelven en agua se agrupan en dos categoriacuteas electrolitos y no
electrolitos Un electrolito es una sustancia que cuando se disuelve en agua forma una disolucioacuten
capaz de conducir la electricidad Un no electrolito por lo tanto no conduce la corriente eleacutectrica
cuando se disuelve en agua
1311 Tipos de electrolitos
Los electrolitos se clasifican en fuertes y deacutebiles Los primeros son sustancias que estaacuten casi
completamente disociadas en la solucioacuten e incluyen soacutelidos ioacutenicos y aacutecidos fuertes Los uacuteltimos
poseen enlaces tan fuertes que muy difiacutecilmente se ionizan en solucioacuten permaneciendo la mayor
parte en forma de moleacuteculas las cuales no tienen la capacidad de transportar carga eleacutectrica como
lo hacen los iones Es importante mencionar que los electrolitos por buenos conductores de la
electricidad que puedan ser siempre tendraacuten menor capacidad para conducir la electricidad que los
materiales soacutelidos [17]
15
132 Ley de Ohm
Una de las maacutes importantes caracteriacutesticas eleacutectricas de un material soacutelido es la facilidad con que
transmite una corriente eleacutectrica La ley de Ohm relaciona la corriente (I) o sea el paso de carga
por unidad de tiempo con el voltaje aplicado (V) de la manera siguiente
V = IR
Donde R es la resistencia del material a traveacutes del cual pasa la corriente Las unidades de
V I y R son respectivamente voltios (V) amperios (A) y ohmios (Ω)
133 Leyes de Faraday
En electroquiacutemica es de suma importancia poder determinar la velocidad a la que ocurren las
reacciones de oacutexido-reduccioacuten cuando una corriente atraviesa una interfase soacutelido-electrolito pues
esto trae como consecuencia un transporte de materia resultado de la peacuterdida (oxidacioacuten) o
ganancia (reduccioacuten) de masa en el electrodo de trabajo
Cabe mencionar que las caracteriacutesticas superficiales del electrodo y las interacciones del
electrolito en dicha superficie son las que determinan la velocidad de reaccioacuten de un proceso
electroquiacutemico [18] Sin embargo hay tantos factores que pueden afectar directamente la velocidad
de reaccioacuten que por ello las leyes de Faraday solo son utilizables cuando el proceso controlador es
la transferencia de carga
Con las investigaciones del fiacutesico britaacutenico Michael Faraday (1791-1867) se descubrieron
las relaciones cuantitativas entre la cantidad de electricidad que pasa a traveacutes de una solucioacuten y la
cantidad de materia separada o precipitada en los electrodos Es decir con dichas expresiones es
posible calcular el transporte de materia en la interfase soacutelido-electrolito [16]
Primera Ley La masa de un ion liberado o depositado en un electrodo es proporcional a
la cantidad de electricidad que pase a traveacutes de la solucioacuten
Ec 11
16
m = 119868119905119875119860
119899119865
Donde PA es el peso atoacutemico la I la corriente en Amperes t el tiempo que pasa dicha carga
en segundos n el nuacutemero de equivalentes involucrados y F la constante de Faraday
Segunda Ley Las cantidades de sustancias liberadas o depositadas por una cantidad de
electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes Aplica cuando una misma
cantidad de electricidad atraviesa distintos electrolitos es decir cuando el proceso se lleva a cabo
en serie
1198981
1198901=
1198982
1198902
Donde m1 y m2 son las masas depositadas y e1 y e2 son los equivalentes quiacutemicos El
equivalente quiacutemico es la relacioacuten entre el peso atoacutemico y el nuacutemero de oxidacioacuten del compuesto
en cuestioacuten
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary
La ecuacioacuten de Stern-Geary establece la relacioacuten entre la densidad de corriente de corrosioacuten (icorr)
es decir la velocidad de corrosioacuten con la resistencia a la polarizacioacuten [19]
119894119888119900119903119903 = 119861
119877119875
119861 = 119887119886119887119888
2303 (119887119886 + 119887119888)
Donde ba y bc son las pendientes de Tafel anoacutedica y catoacutedica respectivamente
La constante B en la ecuacioacuten sirve para presentar una relacioacuten existente entre las
pendientes de Tafel Para que la ecuacioacuten de Stern-Geary sea aplicable es imperativo que exista
comportamiento tafeliano en el sistema electroquiacutemico
Ec 12
Ec 13
Ec 14
Ec 15
17
14 Control de la corrosioacuten
Baacutesicamente todos los meacutetodos que existen para lograr controlar la corrosioacuten de los materiales
metaacutelicos son intentos para interferir con el mecanismo de corrosioacuten de tal manera que se pueda
hacer que eacuteste sea lo maacutes ineficiente posible Dado que para que exista un proceso de corrosioacuten
debe formarse una pila o celda de corrosioacuten ademaacutes de una diferencia de potencial entre los
electrodos o zonas anoacutedicas y catoacutedicas la eliminacioacuten de alguno de los componentes esenciales
de la mencionada pila podriacutea llegar a detener el proceso [20]
En la praacutectica existen tres maneras de lograr lo anterior y enseguida se explicaraacute en queacute
consiste cada una Sin embargo es muy importante sentildealar que ninguacuten meacutetodo elimina la
corrosioacuten sino que todos disminuyen la velocidad de la reaccioacuten de oxidacioacuten ya que el metal
siempre buscaraacute la condicioacuten de miacutenima energiacutea que es la formacioacuten de oacutexidos e hidroacutexidos
141 Proteccioacuten catoacutedica
Se debe recordar que toda estructura propensa a corroerse presenta zonas catoacutedicas y anoacutedicas
siendo estas uacuteltimas aquellas aacutereas donde se lleva a cabo la corrosioacuten Pero si todas las aacutereas
anoacutedicas se pudieran convertir en catoacutedicas la estructura completa funcionariacutea como caacutetodo y la
corrosioacuten se disminuiriacutea considerablemente [21] Ese es el mecanismo de accioacuten de la proteccioacuten
catoacutedica y se puede llevar a cabo de dos maneras tal como lo muestra la Figura 110
Por corriente impresa La proteccioacuten se logra aplicando una corriente externa a partir de
un rectificador que suministra corriente continua de bajo voltaje El terminal positivo de la
fuente de corriente se conecta a un aacutenodo auxiliar (grafito por ejemplo) localizado a una
determinada distancia de la estructura a proteger y el terminal negativo se conecta a la
estructura metaacutelica
Por aacutenodos de sacrificio El metal a proteger se conecta a otro metal menos noble seguacuten
la serie galvaacutenica que actuaraacute como aacutenodo en la celda de corrosioacuten En ese caso la
estructura actuaraacute como caacutetodo y quedaraacute protegida por el ldquosacrificiordquo del aacutenodo que se
corroeraacute
18
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de sacrificio de
magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
142 Inhibidores de corrosioacuten
Los inhibidores son sustancias orgaacutenicas o inorgaacutenicas que se agregan a la solucioacuten corrosiva con
el fin de disminuir su poder de ataque y asiacute reducir la velocidad de corrosioacuten Se puede decir que
un inhibidor es un calmante de la corrosioacuten pues como ya se mencionoacute con anterioridad ninguacuten
meacutetodo la elimina en su totalidad
El comportamiento de los inhibidores puede ser muchas veces peligroso ya que en funcioacuten
de la concentracioacuten pueden jugar tanto el papel de inhibidores como de estimuladores de la
corrosioacuten [21]
Los hay de dos tipos aunque a veces se utiliza una combinacioacuten de ambos
1) Inhibidores anoacutedicos Actuacutean formando un compuesto insoluble el cual precipita en los
lugares afectados por la peacuterdida de materia evitando la reaccioacuten anoacutedica y por lo tanto
inhibe la corrosioacuten Ejemplos hidroacutexido soacutedico carbonato silicato y borato de sodio
ciertos fosfatos cromato soacutedico nitrito y benzoato de sodio etc
2) Inhibidores catoacutedicos Actuacutean sobre toda la superficie formando una capa o peliacutecula de
alta resistencia eleacutectrica la cual funciona como una barrera para la corriente de corrosioacuten
Ejemplos sulfato de zinc sulfato de magnesio bicarbonato de calcio etc
143 Recubrimientos protectores
Los recubrimientos representan la primera liacutenea en la lucha contra la corrosioacuten Los recubrimientos
sea cual fuere su tipo no mejoran las caracteriacutesticas mecaacutenicas del elemento sin embargo
preservan su resistencia e integridad Sus objetivos pueden ser variados siendo el principal aislar
la estructura del medio agresivo con el que se encuentra en contacto (agua suelo y atmoacutesfera por
lo general) aunque tambieacuten cumplen en ocasiones fines cosmeacuteticos
19
En general se emplean bajo condiciones muy amplias como puede ser exposicioacuten
atmosfeacuterica inmersioacuten en agua estructuras enterradas elementos sometidos a quiacutemicos etc Los
recubrimientos representan la uacuteltima etapa de los procesos de fabricacioacuten de cualquier pieza
sistema o equipo siendo normalmente aplicados antes del ensamble [21] Existe por lo tanto una
amplia gama de materiales que pueden ser utilizados como recubrimientos de los metales
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos
Orgaacutenicos Los recubrimientos orgaacutenicos son poliacutemeros y resinas producidas en forma
natural o sinteacutetica generalmente formulados para aplicarse como liacutequidos que se secan o
endurecen como peliacuteculas delgadas en materiales del sustrato Por ejemplo las pinturas
Inorgaacutenicos Los recubrimientos inorgaacutenicos proporcionan acabados tersos y maacutes
duraderos los maacutes usados son el vidrio y los ceraacutemicos
Metaacutelicos Los recubrimientos metaacutelicos se aplican mediante capas finas que funcionen
como aacutenodos sacrificables que puedan ser corroiacutedos en lugar del metal subyacente Por
ejemplo Niquelado cromado galvanizado electroliacutetico inmersioacuten en caliente etc
15 Galvanoplastia
La galvanoplastia es una teacutecnica que proporciona un recubrimiento metaacutelico a una estructura que
deseamos proteger El elemento adherido modifica las propiedades superficiales del material sobre
el cual se depositan promoviendo caracteriacutesticas que son imposibles de obtener en el metal base
Es un meacutetodo que se fundamenta en la electroacutelisis para asiacute cubrir un metal base con un fina
capa de otro metal ya sea cobre niacutequel cromo oro plata con el fin de embellecerlo o impartirle
resistencia a la corrosioacuten
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten
La electrodeposicioacuten puede ser de un solo metal de capas de diferentes metales o de una aleacioacuten
(por ejemplo latoacuten) Los metales maacutes utilizados para electrodepoacutesito son en orden de importancia
zinc niacutequel estantildeo y cadmio [22] Tambieacuten es usual recubrir con oro plata y platino En el caso
de aleaciones es comuacuten la aplicacioacuten de Babbitts (aleaciones Pb-Sn) Es conveniente mencionar
que la mayoriacutea de los metales se pueden depositar por eacuteste procedimiento
20
En teacuterminos simples este proceso consiste en la inmersioacuten de la parte a recubrir en un
electrolito que contenga iones del metal a depositar para asiacute proceder al paso de una corriente
directa que permita el depoacutesito en la pieza (caacutetodo) donde los iones son repuestos por la accioacuten de
la propia corriente sobre el aacutenodo
Pero iquestcoacutemo sucede realmente el fenoacutemeno de la electrodeposicioacuten A continuacioacuten se
daraacute una explicacioacuten maacutes detallada sin embargo solo las reacciones en el caacutetodo seraacuten presentadas
ya que en general las reacciones en un aacutenodo soluble seraacuten las inversas de aquellas presentes en
el caacutetodo
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre
Suponga una solucioacuten de una sal metaacutelica tal como el sulfato de cobre (Figura 111) la sal
se disocia considerablemente formando cationes cargados positivamente y aniones cargados
negativamente como ya se ha mencionado anteriormente El agua presente se disocia un poco para
formar iones hidroacutegeno e hidroxilo Todo aacutecido sulfuacuterico presente se disocia tambieacuten en iones
hidroacutegeno y en iones ya sea HSO4- o ya sea SO4
-2 La mayor parte de estos iones estaacuten hidratados
o sea que se encuentran combinados con una o maacutes moleacuteculas de agua
Cuando se aplica un potencial a dos electrodos en una solucioacuten asiacute los cationes cargados
positivamente emigran hacia el caacutetodo y los aniones negativos se mueven hacia el aacutenodo En una
solucioacuten acidificada la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es relativamente alta y la de los iones
hidroxilo es muy baja En virtud de que los iones hidroacutegeno se mueven maacutes raacutepidamente que los
iones cobre la mayor parte de la corriente es llevada hacia el caacutetodo por los iones hidroacutegeno Sin
embargo es maacutes faacutecil descargar los iones cobre asiacute que praacutecticamente toda la corriente que se usa
en el caacutetodo es para depositar cobre
21
Es difiacutecil representar el proceso implicado en el depoacutesito real de un metal sobre el sustrato
El caacutetodo se encuentra cargado negativamente o sea tiene una concentracioacuten de electrones
relativamente alta los cuales siempre aprovechan la oportunidad de combinarse con iones cargados
positivamente para asiacute formar los aacutetomos metaacutelicos
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel
El niacutequel (Ni) es un elemento quiacutemico de nuacutemero atoacutemico 28 situado en el grupo 10 de la tabla
perioacutedica de los elementos Es un metal blanco plateado duro maleable y duacutectil que puede
presentar un intenso brillo
Como elemento aleante proporciona resistencia tenacidad y proteccioacuten contra la corrosioacuten
El uso principal del niacutequel como metal es en la electrodeposicioacuten de piezas ya que funge como
protector corrosivo y de desgaste ante otros materiales que suelen ser maacutes susceptibles
ambientalmente tal como el hierro o el acero ademaacutes de embellecer la superficie El niacutequel es un
metal muy poco activo y bajo casi todas las condiciones tiende a resistir manchas y oxidacioacuten [23]
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel
Normalmente los galvanizados de niacutequel se hacen a partir de soluciones aacutecidas variando en un
rango de pH de 15 a 60 Una excepcioacuten es el uso de un bantildeo alcalino amoniacal de niacutequel con un
pH cerca de 9 [22]
A pesar de las muchas foacutermulas de bantildeos de niacutequel casi todas ellas contienen tres componentes
esenciales
Sulfato de niacutequel Constituye la principal fuente de iones niacutequel ademaacutes de controlar los
liacutemites admisibles de densidad de corriente
Cloruro de niacutequel Suministra los iones cloruros necesarios para asegurar la corrosioacuten de
los aacutenodos de niacutequel Tambieacuten es una fuente secundaria de iones niacutequel
Aacutecido boacuterico Actuacutea como agente tampoacuten y para conservar la adhesioacuten del depoacutesito de
niacutequel
A continuacioacuten se enlistan las teacutecnicas principales que se utilizan en los depoacutesitos de niacutequel
[22] Cabe mencionar que las concentraciones exactas y las condiciones de operacioacuten pueden
modificarse pero los valores que se dan pueden servir de guiacutea
22
1 Niacutequel a bantildeo friacuteo diluido
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 09 120 16
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Fluoruro de amonio NH4F 057 65 87
2 Bantildeo caliente Tipo Watts
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 04 45 6
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
pH para operacioacuten a un alto pH 45-55 a un bajo pH 15-30
Temperatura 43deg C (110 degF)
Densidad de corriente 2-7 ampdm2 (20-65 ampft2)
3 Bantildeo de alto sulfato
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 05 70 9
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Sulfato de sodio Na2SO4 10 160 22
Aacutecido boacuterico H3BO3 025 M 15 2
pH 55
Temperatura 20-30 degC (68-86 degF)
Densidad de corriente 15-30 ampdm2 (14-28 ampft2)
4 Bantildeo brillante de niacutequel-cobalto
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
23
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 038 45 6
Sulfato de cobalto CoSO4 7H2O 011 15 2
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
Sulfato de amonio (NH4)2SO4 004 25 03
Formato de niacutequel Ni(COOH)2 067 50 67
Formaldehiacutedo HCHO (40) 25 03
pH 45
Temperatura 55 degC (131 degF)
Densidad de corriente 3 ampdm2 (28 ampft2)
1522 Condiciones de operacioacuten
El caraacutecter del depoacutesito depende de varios factores incluyendo la temperatura la densidad de
corriente el pH la distancia entre los electrodos y la agitacioacuten los cuales se ajustan para producir
recubrimientos gruesos o delgados mates o brillantes suaves o duros duacutectiles o fraacutegiles [22] Cabe
mencionar que los valores oacuteptimos para cada factor variacutean de acuerdo con el tipo del bantildeo por lo
que no es posible dar cifras determinadas En su lugar se indicaraacuten los efectos sobre el caraacutecter de
los depoacutesitos obtenidos
pH La eleccioacuten de pH es regida por el tipo de bantildeo y las propiedades que se desean en el
depoacutesito En general en bantildeos de niacutequel opaco un aumento en el pH especialmente arriba de 50
produce depoacutesitos maacutes duros probablemente como resultado de mayor precipitacioacuten
Reciacuteprocamente los depoacutesitos de bajo pH seraacuten probablemente suaves
Temperatura La ventaja de aplicar altas temperaturas depende de varios factores
incluyendo (1) maacutes elevada solubilidad del niacutequel u otras sales (2) mayor conductividad (3)
reducida polarizacioacuten en ambos electrodos y (4) aumento de eficiencia en el aacutenodo y caacutetodo
Aunque de igual manera se pueden presentar ciertas desventajas (1) aumento de la tendencia a la
precipitacioacuten de impurezas (2) la propensioacuten a coagular agentes abrillantadores (3) vaporizacioacuten
excesiva (4) produccioacuten de depoacutesitos pasivos y (5) menor potencia de depoacutesito
Densidad de corriente La densidad de corriente es dependiente de los dos factores
anteriores A temperatura ambiente especialmente en bantildeos diluidos se emplean densidades de
24
corriente de 5 a 20 Aft2 (05 a 2 Adm2) En bantildeos maacutes fuertes y calientes se pueden usar
densidades de corriente hasta de 60 Aft2 (6 Adm2)
Agitacioacuten El efecto de la agitacioacuten equivale a un aumento en concentracioacuten de niacutequel y a
una disminucioacuten de pH lo que permite densidades de corriente maacutes altas Una desventaja de la
agitacioacuten raacutepida en los bantildeos de niacutequel es que con el movimiento suben a la superficie las partiacuteculas
suspendidas lo que trae consigo un depoacutesito aacutespero
Distancia entre electrodos La elaboracioacuten de recubrimientos con espesor uniforme
depende tambieacuten de la propia disposicioacuten y espacio adecuado de las piezas de trabajo aacutenodo y
caacutetodo Por lo que entre maacutes cercana esteacute la superficie a recubrir del aacutenodo mayor seraacute el espesor
del depoacutesito obtenido
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel
Las propiedades fiacutesicas del niacutequel electrodepositado son de especial intereacutes porque hay una gran
variedad de propiedades el control de las cuales de las cuales crea aplicaciones especiales del
niacutequel por ejemplo en electroformacioacuten Las siguientes propiedades son para depoacutesitos opacos de
niacutequel [22]
Dureza Esta variacutea en los diferentes depoacutesitos de niacutequel cerca de 130 a 430 HB En el bantildeo
tipo Watts se obtuvo un miacutenimo de dureza a un pH de 3 obtenieacutendose depoacutesitos maacutes duros abajo
y arriba de este liacutemite Los depoacutesitos maacutes duros se obtienen con un alto pH
Resistencia a la tensioacuten En general la resistencia a la tensioacuten es casi paralela a la dureza
y va de 56 000 a 160 000 lbplg2 (3 900 a 11 000 kgcm2)
Ductilidad La ductilidad medida por elongacioacuten es casi inversamente proporcional a la
dureza y a la resistencia a la tensioacuten
Resistividad eleacutectrica La resistividad eleacutectrica del niacutequel depositado es influenciada por el
contenido de inclusiones como el oacutexido y el cobalto Se presenta un poco en un pH 3
Composicioacuten Los depoacutesitos de niacutequel contienen oxiacutegeno e hidroacutegeno probablemente
presentes como compuestos baacutesicos del niacutequel como Ni(OH)2 El cloruro puede estar presente en
los depoacutesitos de todos los bantildeos de cloruro Estas inclusiones indudablemente tienen influencia en
la dureza y resistencia a la tensioacuten
25
1524 Niquelado en diferentes metales base
Debido a que el niacutequel es el maacutes extensamente aplicado a numerosos metales base solo algunos
ciclos empleados seraacuten considerados en esta seccioacuten [22]
Niquelado en acero El niacutequel puede ser depositado directamente sobre acero o sobre una
capa delgada o gruesa de cobre Debido a numerosas pruebas de corrosioacuten y a lo demostrado por
la experiencia se sabe que las capas de cobre ejercen menos proteccioacuten que una densidad igual de
niacutequel por lo tanto la tendencia actual es eliminar el cobre
Niquelado en hierro vaciado La dificultad de galvanizar sobre hierro vaciado estaacute
indudablemente asociada con la presencia de carbono liberado o grafito en el hierro Si eacuteste
permanece parcialmente embebido el niacutequel no se deposita tan faacutecilmente sobre el carboacuten o
carburos como en los cristales de hierro Por ello se utiliza una capa de cobre ya que mejora la
adhesioacuten del niacutequel al hierro vaciado La limpieza catoacutedica en caacuteustico fundido es algunas veces
efectiva y la saturacioacuten en aacutecido fluorhiacutedrico puede ayudar Por buena que sea la adhesioacuten del
niacutequel al hierro vaciado no es tan buena como en el acero
Niquelado en cobre y latoacuten La praacutectica maacutes comuacuten es aplicar el niacutequel directamente al
cobre o latoacuten seguido por la acostumbrada capa de cromo Ha sido demostrado concluyentemente
que las capas de cromo aplicadas directamente al latoacuten dan menos proteccioacuten contra la corrosioacuten
que cuando se aplica primero una capa de niacutequel
Niquelado en zinc y vaciados con base de zinc Se ha confirmado por muchas pruebas que
las capas adherentes de niacutequel pueden ser aplicadas directamente a troquelados de zinc usando un
alto-sulfato en bantildeo de niacutequel El principio de este bantildeo es la adicioacuten de suficiente sulfato de sodio
para reducir la actividad del ion niacutequel y aumentar la polarizacioacuten del caacutetodo De este modo se
evita que el zinc pase a la solucioacuten precipitando niacutequel oscuro Este bantildeo de alto sulfato de niacutequel
tiene una excelente conductividad y potencia de depoacutesito
Niquelado en magnesio El galvanizado de niacutequel u otros metales en magnesio o sus
aleaciones se hace difiacutecilmente por la alta actividad del magnesio y su consecuente tendencia a
depositar niacutequel u otros metales pesados por inmersioacuten Debido a la gran diferencia de potenciales
de solucioacuten del magnesio y de metales como el cobre niacutequel o cromo eacutestos pueden galvanizarse
sobre el magnesio cuya corrosioacuten se acelera raacutepidamente si hay algunos poros o discontinuidad en
26
los recubrimientos Mientas no se pueda demostrar que pueden producirse y mantenerse
recubrimientos electroliacuteticos casi impenetrables en el magnesio y sus aleaciones es de dudarse que
estos galvanizados puedan tener una aplicacioacuten industrial
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de materiales consiste en la obtencioacuten de informacioacuten acerca de un material
bajo estudio (composicioacuten estructura morfologiacutea y otras propiedades) a partir de la interaccioacuten de
una sentildeal (eleacutectrica luminosa teacutermica etc) con una porcioacuten de dicho material Por tanto toda
caracterizacioacuten de un material supone una agresioacuten es decir una perturbacioacuten del mismo El
estudio de la respuesta del material a dicha perturbacioacuten tiene la finalidad de dar a conocer las
propiedades del mismo para asiacute predecir si seraacute uacutetil o no en una determinada aplicacioacuten
Se puede asegurar que la ayuda de las nuevas teacutecnicas de caracterizacioacuten y anaacutelisis ha sido
indispensable en el disentildeo siacutentesis y procesado de estos materiales permitiendo un cuidadoso
control de sus propiedades e incluso en muchos casos con la posibilidad de fijar de antemano
alguna de sus caracteriacutesticas
161 Dureza
La dureza es una propiedad de los materiales soacutelidos y se define como la resistencia que oponen
estos materiales a ser deformados Una buena dureza significa generalmente que el material es
resistente al rayado y al desgaste [23]
1611 Ensayo de dureza Vickers
Este ensayo usa un indentador en forma de piraacutemide hecho de diamante Figura 112 (a) El ensayo
se basa en el principio de que las impresiones hechas por este indentador tienen geometriacuteas
similares independientemente de la carga aplicada En consecuencia se aplican varias cargas
dependiendo de la dureza del material a ensayar [24] la dureza Vickers se determina entonces con
la foacutermula
HV = 1854 119865
1198632
Donde F es la fuerza aplicada en kgf y D es la diagonal de la impresioacuten hecha por el
indentador en mm El ensayo Vickers puede usarse para todos los metales porque cuenta con una
de las escalas maacutes amplias entre los ensayos de dureza
Ec 16
27
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante un ensayo de dureza
162 Rugosidad
El acabado superficial de los cuerpos puede presentar errores de forma macro y micro geomeacutetricos
auacuten las superficies consideradas como ldquomuy lisasrdquo muestran cuando son analizadas a escala
sumamente fina una compleja diversidad de particularidades geomeacutetricas [25] Por lo tanto la
rugosidad es el conjunto de irregularidades en una superficie real
1621 El perfiloacutemetro
El rugosiacutemetro o perfiloacutemetro es por mucho el equipo maacutes utilizado en la industria para medir la
rugosidad de componentes comunes El principio de operacioacuten de este equipo es simple una fina
punta en contacto con la superficie a analizar realiza un barrido controlado en liacutenea recta y las
variaciones de alturas se convierten en sentildeales eleacutectricas que son debidamente registradas
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro
28
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB)
En el microscopio electroacutenico de barrido se construyen imaacutegenes aprovechando la emisioacuten de
electrones (electrones secundarios) de una muestra cuando sobre ella incide un haz enfocado de
electrones de alta energiacutea La muestra tambieacuten emite rayos X los cuales pueden ser analizados para
obtener informacioacuten sobre la composicioacuten del material [26] Cada sentildeal del MEB es captada con
un detector apropiado
Los electrones emitidos por la interaccioacuten del haz incidente y la muestra son colectados por
los correspondientes detectores para producir una sentildeal eleacutectrica la cual se utiliza para modular la
intensidad de un haz de electrones que incide en la pantalla de un tubo de rayos catoacutedicos (TRC)
de manera que mediante un barrido sincronizado del haz incidente en la superficie de una muestra
y del haz incidente en la pantalla del TRC se produce la imagen de la muestra [26]
La emisioacuten de electrones y de rayos X de la muestra se origina por las colisiones de
electrones del haz incidente con electrones de los aacutetomos del material de la probeta tal como se
puede observar en la Figura 114
Algunas colisiones son elaacutesticas de modo que algunos electrones del haz primario pueden
salir de la superficie de la muestra sin una significativa peacuterdida de energiacutea estos son los llamados
electrones reflejados Pero la mayoriacutea de las colisiones son inelaacutesticas y entre otros efectos
originan emisioacuten de electrones de baja energiacutea conocidos como electrones secundarios
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y fotones por la
interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
29
1631 Componentes baacutesicos del MEB
Cantildeoacuten de electrones que produce un haz con energiacutea entre 5 keV y 30 keV con un diaacutemetro
efectivo entre 01 microm y 10 microm
Lentes electromagneacuteticas condensadoras que reducen el diaacutemetro del haz de manera que en
la superficie de la muestra se tiene un diaacutemetro apropiado al aumento de la imagen
Apertura final la cual controla la divergencia del haz incidente en la muestra
Una lente objetivo que enfoca el haz en la superficie de la muestra
Sistema de barrido el cual permite la construccioacuten de la imagen en la pantalla del TRC por
el barrido del haz en la superficie de la muestra
Detectores de sentildeales emitidas por la muestra (Electrones secundarios electrones
reflejados rayos X etc)
Tubo de rayos catoacutedicos para presentacioacuten de la imagen
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica es una teacutecnica relativamente nueva que permite obtener
imaacutegenes de superficies a escala molecular [27] El microscopio consta esencialmente de una punta
de Si3N4 montada sobre un fleje Con esta punta se realiza un barrido sobre la superficie de la
muestra la cual se situacutea sobre un escaacutener piezoeleacutectrico El funcionamiento del microscopio se
basa en el control por un ordenador de la fuerza ejercida por la punta durante el barrido (Ver Figura
30
116) En el modo denominado de contacto la fuerza punta-muestra se mantiene constante
mediante un sistema de retroalimentacioacuten basado en los siguientes puntos
1) La variacioacuten de la fuerza punta-muestra se traduce en movimientos verticales y horizontales
del fleje que hacen variar la direccioacuten de un rayo laacuteser incidente sobre eacutel Estos cambios en
la direccioacuten del laacuteser son recogidos por un fotodetector y analizados por un ordenador
2) Los aumentos o disminuciones de fuerza son compensados por el ordenador que enviacutea una
sentildeal al piezoeleacutectrico para que acerque o aleje la muestra a la punta
3) Tanto las variaciones del haz luminoso como los movimientos controlados del
piezoeleacutectrico son convertidos por el ordenador en un mapa topograacutefico de la superficie
Figura 116 Funcionamiento de un MFA
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX)
El meacutetodo de difraccioacuten por rayos X es una herramienta poderosa para investigar la disposicioacuten
ordenada de los aacutetomos o moleacuteculas por medio de la interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica
para producir efectos de interferencia con estructuras comparables en tamantildeo a la longitud de onda
de la radiacioacuten
31
Al igual que con los tipos de radiacioacuten electromagneacutetica la interaccioacuten entre el vector
eleacutectrico de la radiacioacuten X y los electrones de la materia que atraviesa da lugar a una dispersioacuten
Cuando los rayos X son dispersados por el entorno ordenado de un cristal tienen lugar
interferencias (constructivas y destructivas) entre los rayos dispersados ya que las distancias entre
los centros de dispersioacuten son del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la radiacioacuten
La teacutecnica de difraccioacuten de rayos X aplicada al estudio de materiales permite obtener
informacioacuten importante sobre distintos aspectos de los mismos Para recubrimientos [28] eacutesta
teacutecnica es imprescindible para determinar
Tipo de estructura (FCC HCP etc)
Esfuerzos residuales
Microdeformaciones
Tamantildeo de grano
Fases presentes
Proporcioacuten relativa de las fases
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X
El fenoacutemeno de difraccioacuten es la interferencia entre las ondas que se genera cuando hay un objeto
en su trayecto Para comprender mejor esto supoacutengase dos planos reticulares 1 y 2 tal como en la
Figura 117 de un cristal con una distancia d entre ambos converge un haz de rayos X procedente
de A con un aacutengulo de incidencia θ este haz en parte se refleja sobre el primer plano hacia F y
en parte atraviesa y se refleja sobre el plano 2 hacia F3 y asiacute sucesivamente sobre los otros planos
[29]
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X
32
En el punto D se sobrepone un rayo reflejado por el primer plano reticular y el otro del
segundo cuya diferencia de camino despueacutes de la reflexioacuten es CD-ED Si tal diferencia es un
muacuteltiplo entero n de la longitud de onda λ de la radiacioacuten X los dos rayos en D estaraacuten en
concordancia de fase y sobreponieacutendose aumentaraacute su intensidad
Por el contrario si estaacuten en discordancia tenderaacuten a anularse Para que se verifique esta
condicioacuten es necesario que las magnitudes λ d θ y n satisfagan la relacioacuten de la Ley de Bragg
nλ = 2 d sen θ
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP)
La teacutecnica electroquiacutemica llamada Resistencia a la Polarizacioacuten es el resultado de la aproximacioacuten
de bajo campo a la ecuacioacuten de Butler-Volmer y por este motivo se debe aplicar solamente cuando
exista control activacional o por transferencia de carga
Los materiales que son susceptibles de ser evaluados mediante la aplicacioacuten de la RP deben
estar inmersos en electrolitos conductores es decir que la resistividad de las soluciones no sea alta
y deben encontrarse libres de peliacuteculas resistivas
1661 Procedimiento experimental
Para realizar un estudio experimental de Resistencia a la Polarizacioacuten lo mejor es acudir a la norma
ASTM G 59-91 [32] En general los pasos a seguir de acuerdo a la norma son los siguientes
Usar un puente salino que acerque el electrodo de referencia a 2 o 3 mm de la superficie
del electrodo de trabajo
Registrar el potencial de corrosioacuten despueacutes de 5 minutos
Aplicar un potencial 30 mV maacutes negativo que el potencial registrado
Un minuto despueacutes de que se aplique el potencial se inicia un barrido con direccioacuten anoacutedica
a 06 Vh (10 mVmin) registrando el potencial y la corriente continuamente
Terminar el barrido cuando se alcanza un valor de 30 mV positivo que el potencial de
corrosioacuten
Graficar la curva de polarizacioacuten
Determinar graacuteficamente la resistencia a la polarizacioacuten como la tangente a la curva en el
origen de la graacutefica
Ec 17
33
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE)
La teacutecnica de Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica es un meacutetodo electroquiacutemico
utilizado en estudios de corrosioacuten el cual se basa en el uso de una sentildeal de corriente alterna (CA)
que es aplicada a un electrodo (metal en corrosioacuten) y determinando la respuesta correspondiente
En el procedimiento experimental comuacutenmente utilizado se aplica una sentildeal sinusoidal de
voltaje y se mide su respuesta en corriente a diferentes frecuencias aunque es posible aplicar una
pequentildea cantidad de corriente y medir la respuesta del potencial El voltaje la corriente y la
frecuencia son relacionadas por la impedancia en una forma anaacuteloga a la ley de Ohm
V = IZ
Donde Z es la impedancia del circuito A diferencia de la resistencia la impedancia de un
circuito puede depender de la frecuencia aplicada
Cuando se aplica una sentildeal de CA incluso en un sistema de corrosioacuten sencillo se comporta
de manera maacutes complicada que una sola resistencia Pues existe tambieacuten una capacitancia la de la
doble capa electroquiacutemica (Cdl) que es debida a la carga de las especies existentes en la interfase
metal-electrolito y que se encuentra presente en todos los sistemas corrosivos Ademaacutes estaacute la
resistencia de la solucioacuten (Rs) para que se le permita La combinacioacuten de estos tres componentes
proporciona un circuito equivalente simple para un metal que se corroe Dicho circuito es una
combinacioacuten de elementos eleacutectricos tales como resistores y capacitores lo que da la misma
respuesta a sentildeales eleacutectricas como el metal real que se corroe [30] El circuito simple descrito
anteriormente se muestra en la Figura 118
Figura 118 Circuito equivalente simple
Los espectros de impedancia se pueden utilizar para identificar y cuantificar las
capacitancias en el sistema y para separar diferentes resistencias por ejemplo la resistencia de la
solucioacuten y la resistencia a la polarizacioacuten A altas frecuencias la resistencia de la solucioacuten se puede
cuantificar A frecuencias maacutes bajas los diferentes tipos de procesos se producen en diferentes
Ec 18
34
escalas de tiempo (en diferentes frecuencias) y puede ser posible identificar los procesos de
difusioacuten o los fenoacutemenos de adsorcioacuten y desorcioacuten [3031]
1671 Representaciones graacuteficas
Solamente existen dos maneras de representar los valores experimentales de la espectroscopia de
impedancia electroquiacutemica
1 Diagramas de Nyquist Tipo de representacioacuten maacutes comuacuten que consiste en graficar los
valores de la impedancia real frente a los de la impedancia imaginaria Estos diagramas
permiten identificar la resistencia del electrolito la resistencia a la transferencia de carga y
la resistencia a la polarizacioacuten [3031] en la mayor parte de los casos La Figura 119
muestra un ejemplo de este tipo de diagramas
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist
2 Diagramas de Bode En este tipo de representaciones se pueden obtener dos diagramas el
moacutedulo de la impedancia y el aacutengulo de fase (Figura 120) Tambieacuten en funcioacuten de la parte
real o la imaginaria pero en escala logariacutetmica Ambos graacuteficos son particularmente uacutetiles
cuando existen constantes de tiempo con valores muy proacuteximos que no se pueden distinguir
en los diagramas de Nyquist
35
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b) Moacutedulo de
impedancia
1672 Ecuacioacuten de Brug
Como bien se sabe el objetivo de los experimentos de EIS es a menudo extraer la capacitancia de
las peliacuteculas (posiblemente como una funcioacuten del potencial aplicado) y por lo tanto para obtener
informacioacuten sobre las propiedades dieleacutectricassemi-conductoras de dichas peliacuteculas Sin embargo
en diversos sistemas la estimacioacuten de la capacitancia es difiacutecil debido a que un comportamiento
de elemento de fase constante (CPE) se observa en lugar de un comportamiento capacitivo
Brug [33] propuso una foacutermula (Ec 19) que relaciona la resistencia del electrolito (Re) y
la resistencia a la transferencia de carga (Rtc) donde es posible calcular la capacitancia contenida
en el CPE
119862 = 1198761
120572[119877119890minus1 + 119877119905119888minus1]1minus120572
120572
Donde C es la capacitancia Q es el factor de Brug Re es la resistencia del electrolito Rtc
es la resistencia a la transferencia de carga y α es la pendiente de la impedancia calculada a bajas
frecuencias
Ec 19
36
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental
21 Preparacioacuten superficial de muestras
A partir de una laacutemina de acero 1018 de 150 x 1 m se cortaron 48 placas de 10 x 2 cm cada una
con una cizalla ya que se necesitaba que cada muestra fuera perfectamente paralela para el proceso
de electrodeposicioacuten
Las placas de acero presentaban una capa de oacutexido por lo que se siguioacute la norma ASTM
G1 [34] para decapar cada muestra durante 10 minutos en HCl al 50 (Ver figura 21) para
posteriormente lavarse con agua potable y asiacute pasar al lijado con granulometriacutea 180 240 320 400
y 600 Seguido de un lavado con agua destilada para eliminar residuos de material removido y
finalizando con un bantildeo de acetona para retirar cualquier resto de humedad y grasa
Figura 21 Decapado de muestras
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos
Para los electrodepoacutesitos con influencia de un campo magneacutetico se utilizaron dos imanes de
neodimio sin embargo no teniacutean sentildealizacioacuten alguna para diferenciar sus polos ni se conociacutea el
valor del campo Entonces se utilizoacute una bruacutejula para determinar el norte y sur de cada imaacuten asiacute
como se aprecia en la Figura 22
37
Figura 22 Determinacioacuten de los polos
Y el campo magneacutetico se midioacute con un gausiacutemetro Marca RFL modelo 91 (Figura 23)
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico
23 Preparacioacuten del electrolito
Para el proceso de electrodeposicioacuten se empleoacute un bantildeo Watts estaacutendar [35] cuya composicioacuten se
presenta en la Tabla 21
38
Para la deposicioacuten electroliacutetica sin campo se preparoacute un litro de solucioacuten y para la que teniacutea
influencia de campo magneacutetico se hicieron dos litros
24 Obtencioacuten de recubrimientos
Para las electrodeposiciones se utilizoacute una fuente de poder marca Good Will Instrumets modelo
GPR-3510HD En cuya terminal negativa se conectoacute el caacutetodo (acero 1018) y en la positiva el
aacutenodo (niacutequel soacutelido Figura 24) Ambos electrodos se colocaron paralelamente cara con cara
Figura 24 Rondelas de niacutequel
Los electrodepoacutesitos de niacutequel sobre acero 1018 con y sin influencia de campo magneacutetico
se llevaron a cabo a voltaje constante siendo eacuteste de 4 V midiendo la corriente resultante al
finalizar el proceso las muestras se lavaron con agua destilada y se dejaron secar al ambiente Se
realizaron seis condiciones diferentes tal como lo muestra la Tabla 22
En el caso de los electrodepoacutesitos en presencia de campo magneacutetico se utilizaron dos
imanes de Neodimio (Valor fluctuante de 15 a 34 T) los cuales se instalaron en la cuba
electroliacutetica el polo norte cerca del aacutenodo y el polo sur del caacutetodo tal como lo muestra la Figura
25
39
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con imanes de
neodimio
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos
Las muestras electrodepositadas con y sin presencia de campo magneacutetico se fijaron a una celda
de acriacutelico con un aacuterea de exposicioacuten de 133 cm2 en dicha celda se vertioacute una solucioacuten de NaCl
al 3 en peso se colocoacute una tapa y se introdujeron un electrodo de referencia de AgAgCl y un
contra-electrodo de grafito Dicha celda se conectoacute a un potenciostato marca Bio-logic modelo
SP-150 controlado mediante una computadora de escritorio con su respectivo software El
dispositivo utilizado para las pruebas se puede ver en la Figura 26a
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el electrodo de
referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo (ET)
40
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
Se utilizoacute la teacutecnica de RP en modo potenciodinaacutemico en un intervalo de plusmn 20 mVEcorr a una
velocidad de barrido de 01667 mVs haciendo la respectiva curva de polarizacioacuten mediante la
computadora Previo a esto el electrodo de trabajo se dejoacute estabilizar en el electrolito (NaCl al 3
peso) durante 30 minutos
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica
Al teacutermino de la medicioacuten de la RP el electrodo de trabajo se dejoacute a circuito abierto durante 15
minutos Posteriormente se utilizoacute la teacutecnica EIE en un intervalo de frecuencias de 50 kHz a 50
mHz a 7 puntos por deacutecada y 10 mV de perturbacioacuten
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos
Para la caracterizacioacuten superficial las placas se cortaron en una maacutequina dobladora a una medida
de 2 x 2 cm para asiacute poder ingresar a ciertos equipos Se eligioacute una muestra de cada condicioacuten
tanto con y sin influencia de campo magneacutetico
261 Dureza
Los estudios de dureza fueron obtenidos con un microduroacutemetro de Vickers marca
Mitutoyo Colocando las placas en el portamuestras del microscopio se hizo incidir el indentador
de diamante aplicando una carga de 10 kgf durante 20 s para un acero suave [36] Este
procedimiento se realizoacute 5 veces por muestra para obtener un promedio de dureza
262 Rugosidad
Se utilizoacute un rugosiacutemetro marca Mitutoyo modelo Surftest-402 Las muestras se colocaron
en una superficie plana y sobre ella se situoacute el palpador con punta coacutenica tal como lo muestra la
Figura 27 posteriormente se calibroacute dicha punta y entonces el equipo realizoacute un pequentildeo recorrido
sobre la superficie con el que determinoacute la rugosidad de cada muestra en microm
41
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido
Para esta caracterizacioacuten de las placas se utilizoacute el Microscopio Electroacutenico de Barrido de
alto-bajo vaciacuteo Jeol JSM 6610LV con un voltaje de 20 kV y una distancia de trabajo de 10 mm
Las placas se colocaron en un portamuestras (Figura 28) y se analizaron a alto vaciacuteo Las imaacutegenes
se formaron con una sentildeal de electrones secundarios a 500 1000 y 5000X
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
Se utilizoacute un Microscopio de Fuerza Atoacutemica marca Asylum Research modelo Cypher que cuenta
con una punta de silicio que tiene una constante de 2 Nm (conforme se va desgastando va
disminuyendo su valor)
Para las muestras sin influencia de campo magneacutetico se utilizoacute el modo contacto es decir
la fuerza entre la punta y la muestra son constantes En el caso de las muestras con influencia de
campo magneacutetico que mostraron una superficie menos rugosa y maacutes faacutecil de medir
topograacuteficamente se usoacute el modo no contacto por lo que la punta no tocaba la muestra sino que
42
oscilaba a una distancia de entre 1 y 10 nm Todas las imaacutegenes se obtuvieron en un aacuterea de 10 x
10 microm a una velocidad de barrido de 10 Hz escaneando 512 liacuteneas generadas por 512 puntos en
zonas especiacuteficas
265 Difraccioacuten de rayos X
Para esta caracterizacioacuten se utilizoacute un difractoacutemetro de rayos X marca Siemens modelo D5000
Las condiciones de operacioacuten fueron las siguientes velocidad de barrido de 05 s incrementos de
0035cps 35 kV y 25 mA El intervalo de aacutengulo seleccionado fue 2θ = 30 a 120deg que es el
rango donde aparecen la mayoriacutea de los picos caracteriacutesticos del niacutequel [37]
43
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten
Para una mejor comprensioacuten de los resultados eacutestos se presentan de manera comparativa en
funcioacuten del tiempo de electrodeposicioacuten con y sin campo magneacutetico analizando dichos
recubrimientos con las teacutecnicas electroquiacutemicas planteadas en el capiacutetulo de metodologiacutea
experimental tambieacuten se realizaron anaacutelisis del comportamiento de las propiedades fiacutesicas tales
como dureza rugosidad y espesor para determinar la influencia del campo magneacutetico durante la
electrodeposicioacuten de niacutequel
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos
La Figura 31b muestra las reacciones que se llevaron a cabo en el proceso de electrodeposicioacuten
Como ya se sabe en el aacutenodo se lleva a cabo la oxidacioacuten del niacutequel y en el caacutetodo la reduccioacuten
del mismo Sin embargo en el caacutetodo tambieacuten se lleva a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten del
hidroacutegeno ya que el medio usado para la electrodeposicioacuten es aacutecido (pH = 3) por ello la eficiencia
en el caacutetodo no es del 100
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni
311 Caacutelculo de masa depositada
Para conocer la masa de Ni depositada en el acero 1018 se realizaron mediciones de peso antes y
despueacutes de que las placas fueran sometidas al proceso de electrodeposicioacuten Sin embargo como el
aacuterea de electrodepoacutesito no es la misma en todas las placas se compara la masa depositada por
centiacutemetro cuadrado tal como lo muestra la Tabla 31
44
En la tabla 31 se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten de
niacutequel la masa por unidad de aacuterea aumenta Esto se cumple para ambas temperaturas (30degC y 60degC)
y ambas condiciones (sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico) sin embargo se demostraraacute
maacutes adelante que el aumento de masa no es garantiacutea de una reduccioacuten de la velocidad de corrosioacuten
(Grafico 31) Es importante sentildealar que tanto a 30degC como a 60degC la masa de niacutequel disminuye
cuando se utiliza el campo mageacutentico sin embargo a 30degC esto no se cumple debido a que hay un
aumento de masa
312 Eficiencia en corriente
Es importante mencionar que en todos los electrodepoacutesitos la corriente final era menor que la
inicial Dicha caiacuteda de corriente se debioacute a la formacioacuten de una capa de oacutexido en el aacutenodo Figura
32 lo que ocasionoacute una disminucioacuten en la entrega de cationes (Ni2+) a la solucioacuten
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido
La eficiencia en corriente se evaluoacute con la foacutermula del Anexo 1-A y se tomoacute el valor de la
corriente inicial para dicho caacutelculo Los resultados se muestran en la Tabla 32 Mientras que
Ferreira y Colnago [12] reportaron obtener eficiencias del doble para sus peliacuteculas de cobre en
45
este caso se puede notar que la presencia del campo magneacutetico provoca una disminucioacuten en el
rendimiento del sistema
La fuente de poder se debe regular para poder otorgar los 4 V que el proceso de
electrodeposicioacuten requiere y desde el momento en que se enciende el aparato empieza a mandar
corriente Por ello ciertas eficiencias sobrepasan el 100 pues el tiempo de ajuste se excedioacute maacutes
de 50 segundos
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
En la Figura 33 se observan los resultados de la resistencia a la polarizacioacuten en funcioacuten de la
temperatura y del tiempo de exposicioacuten A 60degC se observa que el campo magneacutetico provoca una
disminucioacuten de la resistencia a la polarizacioacuten para los diferentes tiempos de electrodepoacutesito
realizados lo cual se traduce en un aumento de la velocidad de corrosioacuten de acuerdo con la
ecuacioacuten de Stern y Geary (Ec 14) Este efecto de disminucioacuten de la Rp tambieacuten se observa en
los datos a 30degC con excepcioacuten del tiempo 7 minutos
46
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal
En la Tabla 33 se presentan las variaciones de icorr y Vcorr sin campo magneacutetico y en
presencia de campo magneacutetico a 30deg y 60deg en funcioacuten del tiempo de electrodepoacutesito
En la Graacutefica 31 se puede observar que a 60degC con mayor tiempo de electrodeposicioacuten de
Ni disminuye la Vcorr Sin embargo se puede notar que con la presencia del campo las velocidades
de corrosioacuten son mayores pero respetando la tendencia antes mencionada
60degC17min CM
60degC17min SC
60degC12min CM
60degC12min SC
60degC7min CM
60degC7min SC
30degC17min CM
30degC17min SC
30degC12min CM
30degC12min SC
30degC7min CM
30degC7min SC
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Rp (Ohm cm2)
47
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de electrodeposicioacuten
La tabla 34 muestra los valores de Ecorr para ambas temperaturas (30degC y 60degC) y en las
dos condiciones ensayadas (sin campo y con campo) Sin campo magneacutetico y con excepcioacuten de
30degC y 17 min se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten el Ecorr se
desplaza hacia valores menos negativos al mismo tiempo que la Vcorr disminuye (Tabla 33) De
acuerdo con la Teoriacutea de Potencial Mixto explicada por Evans el sistema se encuentra bajo un
control tipo anoacutedico es decir que la reaccioacuten de oxidacioacuten de niacutequel se desplaza para dar un Ecorr
menos negativo al mismo tiempo que reduce la Vcorr
1198731198942+ + 2119890minus harr 119873119894deg
Sin embargo a 30degC y 17 min el sistema se encuentra bajo control catoacutedico debido a que
persiste la disminucioacuten de Vcorr ahora con un cambio en el potencial hacia valores maacutes negativos
Al comparar los valores de Ecorr sin campo magneacutetico con los de campo magneacutetico se observa que
para la temperatura 60degC los valores de Ecorr se desplazan hacia valores maacutes electronegativos
Como se discutioacute anteriormente esto se debe a un control cineacutetico tipo anoacutedico Cuando se
considera la temperatura de 30degC se observa un desplazamiento hacia valores menos negativos es
7min 12min 17min
000
002
004
006
008
010
Vco
rr (
mm
an
o)
Tiempo de electrodeposicion
60degC Sin campo
60degC Con campo
30degC Sin campo
30degC Con campo
48
decir la cineacutetica estaacute controlada por la reaccioacuten catoacutedica Diversos trabajos reportan este mismo
efecto en donde el campo magneacutetico tiene un efecto sobre la reaccioacuten de reduccioacuten de oxiacutegeno
1198742 + 21198672119874 + 4119890minus harr 4119874119867minus
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica
Como se mencionoacute previamente en el apartado 167 referente a la teacutecnica de impedancia
mediante esta teacutecnica es posible evidenciar y cuantificar el efecto que tiene la capacitancia de una
interface electroquiacutemica y asiacute proporcionar informacioacuten complementaria al estudio de corrosioacuten
Las graacuteficas 32 33 y 34 correspondientes a los diagramas de Nyquist obtenidos en los
tres diferentes tiempos de electrodeposicioacuten a 60degC con y sin influencia de campo magneacutetico
Revelan en los tres casos que el campo magneacutetico disminuye la resistencia a la transferencia de
carga (Rtc) es decir el proceso de corrosioacuten se ve favorecido tal como se pudo mostrar en los
resultados de resistencia a la polarizacioacuten De igual manera se observa una disminucioacuten en la
resistencia del electrolito (Rs) esto debido a la fuerza convectiva (visible) que ejerce el campo
magneacutetico en el electrolito el cual provoca una mejor difusioacuten de los iones dicha informacioacuten es
consistente a lo reportado por Calivar e Ispas [67]
49
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
500
1000
1500
2000 50 mHz
60degC 7min SC
60degC 7min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
1000
2000
3000
50 mHz
60degC 12min SC
60degC 12min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
50 kHz
50 mHz
Re(Z) (Ohm cm2)
50
Graacutefica 34 EIE de 60degC 17min
34 Dureza Rugosidad y Espesor
La Tabla 35 muestra que la aplicacioacuten de un campo magneacutetico durante el proceso de
electrodeposicioacuten de niacutequel provoca que la dureza disminuya lo que significa que el recubrimiento
es menos susceptible a fracturarse este resultado es similar a lo reportado por Zielinski [11] y la
disminucioacuten de fracturas en sus peliacuteculas de Co-W ante la presencia de un campo magneacutetico
Tambieacuten es importante sentildealar que la rugosidad de cada niquelado presentoacute un
empobrecimiento lo que significa que el campo magneacutetico ayuda a obtener recubrimientos maacutes
uniformes
0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000
0
3000
6000
9000
12000
15000
18000 50 mHz
60degC 17min SC
60degC 17min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
51
Los espesores fueron calculados mediante la foacutermula que aparece en el Anexo 1-B y se
puede notar que eacuteste decrece ante la presencia del campo magneacutetico Esto se puede constatar de
igual forma a partir de los datos de impedancia los cuales permitieron calcular los valores de
capacitancia a partir de la ecuacioacuten de Brug (Ec 19) cuyos resultados se muestran en la Tabla
36
Como se puede observar los valores de capacitancia con el campo magneacutetico son mayores
en un orden de magnitud que aquellos donde no existe el campo permitiendo confirmar que el
espesor maacutes delgado se encuentra con la influencia del campo
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
A continuacioacuten se muestran las imaacutegenes topograacuteficas obtenidas en el MFA Con lo cual se puede
corroborar que ocurre una disminucioacuten en la rugosidad de las peliacuteculas de niacutequel con presencia de
campo magneacutetico
52
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC-7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC-12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC-17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
36 Difraccioacuten de Rayos X
Los patrones de difraccioacuten de los recubrimientos de Ni en acero 1018 Figura 37 se caracterizan
por la presencia de los planos de la estructura cuacutebica centrada en las caras de acuerdo al PDF 03-
065-4899 [32] Esta fase cristalina estuvo presente en todos los recubrimientos
De acuerdo con lo reportado por Hu [33] la energiacutea de activacioacuten para la evolucioacuten de
hidroacutegeno es mayor en el plano (111) que en el plano (200) del Ni Dicho de otra manera en el
53
plano (200) habraacute maacutes produccioacuten de hidroacutegeno gaseoso durante el proceso de electrodeposicioacuten
de niacutequel lo que trae consigo posiblemente recubrimientos porosos
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia de campo
magneacutetico
Para los depoacutesitos en presencia de campo magneacutetico a 7 y 12min se observa una orientacioacuten
preferencial en el plano (200) sin embargo el pico a 7min es mucho mayor que el de 12
comparando estos resultados con las pruebas electroquiacutemicas y de acuerdo a los reportado por Hu
[33] esto nos lleva a suponer que en este caso el recubrimiento es maacutes poroso y delgado de acuerdo
a las medidas de espesor (Tabla 35) Para el caso de 17min con campo magneacutetico se tiene una
orientacioacuten preferencial en el plano (111) esta muestra tiene un mejor comportamiento
electroquiacutemico de acuerdo a la Figura 33 ademaacutes de acuerdo a lo reportado por Hu [33] nos lleva
a deducir que este recubrimiento es el menos poroso de los tres con campo magneacutetico Lo anterior
explica por queacute la velocidad de corrosioacuten es mayor a 7min y va disminuyendo conforme aumenta
el tiempo de electrodeposicioacuten Y tambieacuten revela la causa por la que el potencial de corrosioacuten es
maacutes negativo en presencia del campo magneacutetico La porosidad tambieacuten nos explica la razoacuten por la
cual la dureza de los recubrimientos hechos en presencia del campo magneacutetico disminuye con
respecto a aquellos realizados en ausencia del mismo
40 45 50 55 600
4000
8000
12000
16000
20000
17min SC
17min CM
12 min CM
12 min SC
7min CM
Inte
nsid
ad
(U
A)
2 (grados)
60degC-7min SC
60degC-12min SC
60degC-17min SC
60degC-7min CM
60degC-12min CM
60degC-17min CM
Ni
7min SC
(111) (200)
54
La existencia de los poros en el recubrimiento propicia un par galvaacutenico Figura 38 entre
el niquelado electroliacutetico y el acero 1018 ya que este uacuteltimo es maacutes electronegativo por
consiguiente maacutes propenso a la corrosioacuten Tambieacuten estaacute el efecto de las diferencias de aacutereas entre
aacutenodo (acero) y caacutetodo (niquelado) siendo en este caso el caacutetodo quien posee mayor aacuterea de
exposicioacuten al ambiente es el aacutenodo quien se corroeraacute maacutes faacutecil y raacutepidamente
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni
37 Microscopia Electroacutenica de Barrido
Las Figuras 39 310 y 311 muestran las imaacutegenes obtenidas en el MEB de los recubrimientos de
Ni a 60degC 7min 12min y 17min respectivamente Se aprecia una morfologiacutea maacutes uniforme con la
presencia de campo magneacutetico y las aglomeraciones de partiacuteculas metaacutelicas son mucho maacutes
grandes que sus homoacutelogos sin influencia del campo
55
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y sin influencia
de campo magneacutetico
56
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min con y sin
influencia de campo magneacutetico
57
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min con y sin
influencia de campo magneacutetico
58
Conclusiones
A partir de los resultados experimentales obtenidos en el presente trabajo se puede concluir lo
siguiente
La eficiencia de electrodepositacioacuten es funcioacuten de la pureza del aacutenodo y de la corriente
aprovechada por la reaccioacuten de reduccioacuten de hidroacutegeno
El aumento en el tiempo de electrodepositacioacuten conduce a un aumento en la masa de niacutequel
electrodepositada esto es vaacutelido para la condicioacuten sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico
sin embargo esto no garantiza la disminucioacuten de Vcorr
Sin campo magneacutetico los resultados obtenidos a 30degC y 60degC muestran que la Vcorr
disminuye conforme el tiempo de electrodepoacutesito de niacutequel aumenta Tambieacuten en ausencia del
campo las Vcorr obtenidas a 30degC son menores comparadas con las Vcorr a 60degC a excepcioacuten de
17 min
Sin campo magneacutetico se observa que la degradacioacuten del niquelado estaacute controlada por una
cineacutetica anoacutedica lo cual es vaacutelido para 30degC y para 60degC con excepcioacuten de 30degC y 17 min donde
la cineacutetica que controla es catoacutedica Asimismo a 30degC con campo magneacutetico se observa que la
cineacutetica que controla el sistema es la catoacutedica lo cual sugiere que la reaccioacuten de reduccioacuten de
oxiacutegeno ser manipulada por el campo magneacutetico
En presencia del campo magneacutetico se encontroacute que la resistencia de la solucioacuten disminuyoacute
tanto a 30degC como a 60degC debido a una fuerza adicional convectiva que provoca el campo
magneacutetico
La Vcorr es dependiente de la cantidad de masa depositada pero tambieacuten del ordenamiento
cristalino que los aacutetomos de niacutequel adquieren al momento del electrodepoacutesito
En presencia del campo magneacutetico las micrografiacuteas MEB revelan superficies con menos
rugosidad respecto a las muestras sin campo magneacutetico
A 60degC hay poca o nula contribucioacuten del campo magneacutetico mientras que a 30degC si hay una
contribucioacuten del campo pero es negativa respecto a la Vcorr
59
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62
Anexo 1 Caacutelculos
1-A Caacutelculo de eficiencia
En la praacutectica la corriente suministrada a un sistema no es aprovechada al 100 pues hay
peacuterdidas de corriente por diversos motivos entre otros
a) Desviacioacuten de corriente por caminos secundarios
b) Impurezas de las soluciones (las cuales dan reacciones secundarias)
c) Resistencia eleacutectrica propia del bantildeo electroliacutetico
d) Peacuterdidas por transformacioacuten de energiacutea eleacutectrica a energiacutea caloriacutefica
e) Fenoacutemenos de polarizacioacuten
Entonces se puede decir que
Eficiencia en corriente = 119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119905119890oacute119903119894119888119886
119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119904119906119898119894119899119894119904119905119903119886119889119886 119903119890119886119897x100
1-B Caacutelculo de Espesor
El meacutetodo maacutes satisfactorio para medir el espesor promedio de una capa es disolverla y determinar
el peso de la misma a partir de una muestra cuya aacuterea se conozca en el caso de este estudio se
pesaron las placas antes y despueacutes del electrodepoacutesito para determinar la masa depositada El
espesor se calcula asiacute a partir del peso y del aacuterea y de la densidad o peso especiacutefico del depoacutesito
utilizando la foacutermula
T (espesor) = 119862119882 (119901119890119904119900)
119860(aacute119903119890119886)times119863(119901119890119904119900 119890119904119901119890119888iacute119891119894119888119900)
En donde C es una constante que depende simplemente de las unidades utilizadas En
unidades meacutetricas la ecuacioacuten se transforma en
T(mm) = 10119882(119892119903)
119860(1198881198982)times119863
63
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 7min
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 12min
-0000006 -0000003 0000000 0000003
-040
-038
-036
-034
-032
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
-0000004 -0000002 0000000 0000002
-035
-034
-033
-032
-031
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
64
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 17min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 7min
-00000006 -00000003 00000000 00000003 00000006
-026
-024
-022
-020
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
-00000027 -00000018 -00000009 00000000 00000009 00000018
-028
-024
-020
-016
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
65
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 12min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 17min
-0000004 -0000002 0000000 0000002 0000004
-038
-036
-034
-032
-030
-028
-026
-024
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
-0000006 -0000003 0000000 0000003 0000006 0000009
-032
-031
-030
-029
-028
-027
-026
-025
-024
-023
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
vi
1311 Tipos de electrolitos 14
132 Ley de Ohm 15
133 Leyes de Faraday 15
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary 16
14 Control de la corrosioacuten 17
141 Proteccioacuten catoacutedica 17
142 Inhibidores de corrosioacuten 18
143 Recubrimientos protectores 18
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos 19
15 Galvanoplastia 19
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten 19
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel 21
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel 21
1522 Condiciones de operacioacuten 23
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel 24
1524 Niquelado en diferentes metales base 25
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten 26
161 Dureza 26
1611 Ensayo de dureza Vickers 26
162 Rugosidad 27
1621 El perfiloacutemetro 27
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB) 28
1631 Componentes baacutesicos del MEB 29
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA) 29
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX) 30
vii
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X 31
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP) 32
1661 Procedimiento experimental 32
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE) 33
1671 Representaciones graacuteficas 34
1672 Ecuacioacuten de Brug 35
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental 36
21 Preparacioacuten superficial de muestras 36
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos 36
23 Preparacioacuten del electrolito 37
24 Obtencioacuten de recubrimientos 38
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos 39
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal 40
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica 40
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos 40
261 Dureza 40
262 Rugosidad 40
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido 41
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 41
265 Difraccioacuten de rayos X 42
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten 43
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos 43
311 Caacutelculo de masa depositada 43
312 Eficiencia en corriente 44
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal 45
viii
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica 48
34 Dureza Rugosidad y Espesor 50
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 51
36 Difraccioacuten de Rayos X 52
Conclusiones 58
Bibliografiacutea 59
Anexo 1 Caacutelculos 62
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten 63
ix
Iacutendice de Tablas
Tabla 11 Paraacutemetros termodinaacutemicos de las celdas electroquiacutemicas 11
Tabla 12 Serie galvaacutenica 12
Tabla 13 Ejemplos de electrolitos y no electrolitos 15
Tabla 21 Composicioacuten del bantildeo Watts 37
Tabla 22 Condiciones de operacioacuten 38
Tabla 31 Masa depositada en cada centiacutemetro cuadrado 44
Tabla 32 Valores de eficiencia 45
Tabla 33 Valores de icorr y Vcorr con y sin campo magneacutetico 46
Tabla 34 Valores de potencial de corrosioacuten 48
Tabla 35 Valores de dureza rugosidad y espesor para recubrimientos de Ni con y sin
influencia de campo magneacutetico
51
Tabla 36 Valores de capacitancia para recubrimientos de Ni con y sin presencia de
campo magneacutetico
51
x
Iacutendice de Figuras
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver 5
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes
(izq) Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico
aplicado
6
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas
(izq) Con campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
6
Figura 14 El campo magneacutetico 7
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca 9
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda 10
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten 11
Figura 18 Celda galvaacutenica 13
Figura 19 Celda electroliacutetica 14
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de
sacrificio de magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
18
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre 20
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante ensayo de dureza
27
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro 27
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y de
fotones por la interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
28
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB 29
Figura 116 Funcionamiento de un MFA 30
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X 31
Figura 118 Circuito equivalente simple 33
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist 34
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b)
Moacutedulo de impedancia
35
Figura 21 Decapado de muestras 36
xi
Figura 22 Determinacioacuten de los polos 37
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico 37
Figura 24 Rondelas de niacutequel 38
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con
imanes de Neodimio
39
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el
electrodo de referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo
(ET)
39
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad 41
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB 41
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni 43
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido 44
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal 46
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC 7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC 12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC 17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia
de campo magneacutetico
53
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni 54
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y
sin influencia de campo magneacutetico
55
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min
con y sin influencia de campo magneacutetico
56
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min
con y sin influencia de campo magneacutetico
57
xii
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de
electrodeposicioacuten
47
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min 49
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min 49
Graacutefica 34 EIE de 60degC a 17min 50
xiii
Nomenclatura
Ni ndash Niacutequel
T ndash Tesla
M ndash Metal
A ndash Ampere
Ec ndash Ecuacioacuten
ER ndash Electrodo de Referencia
ET ndash Electrodo de Trabajo
EA ndash Electrodo Auxiliar
Ecorr ndash Potencial de corrosioacuten
Vcorr ndash Velocidad de corrosioacuten
Rp ndash Resistencia a la polarizacioacuten
Rtc ndash Resistencia a la transferencia de carga
Rs ndash Resistencia del electrolito o de la solucioacuten
EIE ndash Espectroscopiacutea de impedancia electroquiacutemica
MFA ndash Microscopiacutea de fuerza atoacutemica
DRX ndash Difraccioacuten de rayos X
MEB ndash Microscopiacutea electroacutenica de barrido
SC ndash Sin campo magneacutetico
CM ndash Con campo magneacutetico
HV ndash Dureza Vickers
xiv
Resumen
En este estudio se obtuvieron recubrimientos de niacutequel con y sin presencia de campo magneacutetico a
60degC a 7 12 y 17 min sobre sustratos de acero al carbono AISI 1018 a partir de una solucioacuten tipo
Watts claacutesica Las propiedades de los recubrimientos se estudiaron mediante DRX MEB MFA
duroacutemetro y rugosiacutemetro tambieacuten se estudioacute el comportamiento electroquiacutemico de las peliacuteculas
mediante RP y EIE y ademaacutes se realizaron caacutelculos de capacitancia icorr velocidad de corrosioacuten
y espesor En general el campo magneacutetico tiene una influencia negativa en las propiedades fiacutesicas
y quiacutemicas de un electrodeposito de Ni en acero AISI 1018 Los detalles son discutidos en esta
investigacioacuten
Abstract
In this study nickel coatings were obtained with and without the presence of magnetic field at 60degC
for 7 12 and 17 min on substrates of AISI 1018 carbon steel from a classical type Watts solution
The properties of the coatings were studied by XRD SEM AFM hardness tester and roughness
tester the electrochemical behavior of the films was also studied through RP and EIE and also
capacitance calculations icorr corrosion rate and thickness were made In general the magnetic
field has a negative influence on the physical and chemical properties of an electrodeposited Ni
steel AISI 1018 The details are discussed in this research
1
Introduccioacuten
En los Reactores de agua en ebullicioacuten (BWR por sus siglas en ingleacutes) la radioacutelisis del agua
produce un medio altamente oxidante [1] que genera que los materiales estructurales presenten un
elevado potencial electroquiacutemico de corrosioacuten (PEC) cuando estaacuten en contacto con el agua en el
BWR Este PEC incrementa la propensioacuten a experimentar agrietamiento por corrosioacuten bajo
esfuerzos (SCC) [2] y agrietamiento por corrosioacuten intergranular bajo esfuerzos (IGSCC) [3] en los
materiales de los componentes internos tales como acero inoxidable aleaciones base niacutequel y las
zonas afectadas por el calor (HAZ) propias de un proceso de soldadura Ademaacutes en las condiciones
de alta temperatura del reactor BWR se forma una capa de oacutexido que puede ser hematita en
condiciones de alto oxiacutegeno o magnetita en condiciones de bajo oxiacutegeno Este segundo oacutexido es
un imaacuten por naturaleza por lo que este estudio contribuiraacute ademaacutes a discernir y en dado caso a
explicar si la presencia de un oacutexido magneacutetico o de otro que no lo sea tiene una influencia en la
deposicioacuten de recubrimientos alternos para mitigar el agrietamiento por corrosioacuten bajo esfuerzos
(SCC por sus siglas en ingleacutes) de los materiales de componentes internos de reactores BWR
El electrodepoacutesito de niacutequel sobre una superficie metaacutelica se hace con el fin de proteger las
piezas de la corrosioacuten pues posee buenas propiedades anticorrosivas y buena resistencia al
desgaste Los recubrimientos de niacutequel se utilizan en numerosos sectores industriales electroacutenica
componentes eleacutectricos petroquiacutemica automocioacuten etc [4] Por ello el presente trabajo muestra la
utilizacioacuten de un campo magneacutetico de 15 a 34 T (Valor fluctuante) para la obtencioacuten de
recubrimientos de Ni en acero un acero bajo carbono especiacuteficamente el AISI 1018 Las
propiedades de dichos recubrimientos se evaluaron mediante teacutecnicas electroquiacutemicas como Rp y
EIE para determinar las velocidades de corrosioacuten de las peliacuteculas De igual manera se estudiaron
los recubrimientos mediante DRX MEB y MFA Para finalmente establecer la influencia positiva
o negativa de dicho campo magneacutetico en los procesos de deposicioacuten electroliacutetica
2
Justificacioacuten
Para mitigar el SCC de los componentes internos de los BWR [5] en la actualidad se antildeaden sales
como precursores metaacutelicos por ejemplo Na2Pt(OH)6 que se transforman en partiacuteculas metaacutelicas
al entrar en contacto con el acero debido a la diferencia de potencial entre Fe y Pt [6] adhirieacutendose
al acero estructural por medio de procesos de precipitacioacuten Estas partiacuteculas catalizan las reacciones
de recombinacioacuten de especies oxidantes disminuyendo los procesos de corrosioacuten del acero sin
embargo los catalizadores basados en Pt tienen el inconveniente de costo elevado [7]
En este sentido una posible opcioacuten es la electrodeposicioacuten de un metal sobre la superficie
que se interesa proteger pero la efectividad de estos depoacutesitos depende de la preparacioacuten de la
superficie y de aspectos teacutecnicos ya estandarizados en normativas por ejemplo la Norma ISO
1458-1974 ldquoMetallic coatingsrdquo Si bien son de los mejores meacutetodos para proteger un metal auacuten
presentan diversas anomaliacuteas que generan superficies porosas falta de cohesioacuten y peliacuteculas
amorfas lo que conlleva a altos costos de produccioacuten debido a que se debe repetir el proceso y
contaminacioacuten ambiental a causa de los reactivos quiacutemicos usados para limpiar nuevamente la
superficie a recubrir
Debido a lo anterior este estudio tiene por objeto determinar si el campo magneacutetico influye
o no en las propiedades de adherencia rugosidad y eficiencia de un electrodepoacutesito de niacutequel
Siendo los mayores beneficiarios con este trabajo investigativo el ambiente la industria
galvanoplaacutestica y la comunidad electroquiacutemica
3
Objetivo General
Evaluar el efecto de un campo magneacutetico sobre las propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero bajo carbono especiacuteficamente en un acero AISI 1018
Objetivos Especiacuteficos
1- Elaborar electrodepoacutesitos de niacutequel en acero 1018 con y sin presencia de campo magneacutetico
2- Evaluar los electrodepoacutesitos mediante corriente directa y alterna
3- Analizar los electrodepoacutesitos por medio de pruebas fiacutesicas y quiacutemicas
4- Determinar el efecto de un campo magneacutetico en un electrodepoacutesito de niacutequel
4
Hipoacutetesis
El campo magneacutetico provoca una orientacioacuten en los iones yo moleacuteculas del electrolito destinado
a la electrodeposicioacuten con ello se modifican ciertas propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero 1018
5
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico
11 Antecedentes
El efecto de un campo magneacutetico sobre la orientacioacuten de las moleacuteculas durante un proceso de
formacioacuten de un producto ha sido muy poco estudiado En la industria se encuentran algunos casos
sin que haya reportes formales A continuacioacuten se discutiraacuten algunos de ellos
El ldquoFuel Energy Saverrdquo (Figura 11) es un producto de la compantildeiacutea mexicana ldquoEnergy
Saverrdquo se trata de un inductor de resonancia magneacutetica de alta potencia que genera frecuencias
especiacuteficas la cual fractura las cadenas de hidrocarburos alineando y haciendo todas las moleacuteculas
maacutes accesibles al oxiacutegeno lo que se traduce en una mejor combustioacuten con el consiguiente ahorro
de combustible y reduccioacuten de contaminacioacuten [8] Es aplicable para cualquier tipo de combustible
(gas natural gas LP dieacutesel combustoacuteleo gasoacuteleo) y puede ser usado en todo equipo de iacutendole
industrial (hornos calderas calentadores secadores estufas)
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver
Algunas empresas del ramo automotriz (por ejemplo Mercedes Benz) estaacuten empleando el
principio del FES para que por medio un campo magneacutetico se orienten las moleacuteculas del
combustible y de oxiacutegeno antes de que eacutestas sean consumidas La explicacioacuten a este fenoacutemeno fue
dada por Kita amp Kulish [9] que consiste en lo siguiente el combustible se consumiraacute a medida que
haya oxiacutegeno disponible Si en lugar de que el oxiacutegeno se alimente de manera ldquodesordenadardquo eacuteste
pudiera ser orientado antes de entrar a la caacutemara de combustioacuten se lograriacutea un mejor consumo de
combustible-oxiacutegeno lo cual se traduce en mayor potencia en el motor y un mejor
aprovechamiento del combustible es decir habriacutea menor cantidad de contaminantes (NOx y CO2)
en el escape
6
Otro ejemplo del uso de campos magneacuteticos se puede encontrar en la formacioacuten de
calcaacutereos en intercambiadores de calor La industria que sufre de formacioacuten de dichos productos
tambieacuten ha encontrado beneficios con el uso de un campo magneacutetico colocado en el depoacutesito de
agua y se observa que los productos calcaacutereos se desvanecen tal como se aprecia en la Figura 12
La explicacioacuten a este efecto se atribuye nuevamente a la reorientacioacuten de las moleacuteculas dando como
consecuencia una estructura amorfa en lugar de una cristalina caracteriacutestica de los calcaacutereos [10]
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes (izq)
Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico aplicado
Por el lado de las investigaciones cientiacuteficas se tiene el anaacutelisis del efecto de un campo
magneacutetico de 12 T en la electrodeposicioacuten y estructura de las aleaciones cobalto-tungsteno con
ello Zielinski [11] pudo establecer que la aplicacioacuten del campo magneacutetico cambioacute la composicioacuten
quiacutemica y la morfologiacutea de las aleaciones Co-W
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas (izq) Con
campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
7
De la misma manera Ferreira y Colnago [12] estudiaron la influencia del campo magneacutetico
de una resonancia magneacutetica nuclear (RMN) durante la reaccioacuten electroliacutetica del cobre Sus
resultados fueron exitosos pues la reaccioacuten en presencia de un campo magneacutetico de 023 T tuvo
un rendimiento del doble que la de la reaccioacuten en ausencia de dicho campo
Finalmente pero no menos importantes Calivar [13] con su creacioacuten de modelos de
conveccioacuten magneacutetica en electrodeposicioacuten de peliacuteculas delgadas de cobre y tambieacuten Ispas [14]
con su estudio del efecto de un campo magneacutetico de 05 T en la electrodeposicioacuten de la aleacioacuten
Ni-Fe Ambos llegaron a la misma conclusioacuten un campo magneacutetico provoca una conveccioacuten en el
fluido el cual provoca una contribucioacuten adicional de masa-transporte
12 Generalidades
121 El campo magneacutetico
Se trata de un campo que ejerce fuerzas (denominadas magneacuteticas) sobre los materiales Es una
magnitud vectorial pero no produce ninguacuten efecto sobre cargas en reposo (como siacute lo hace el
campo eleacutectrico doacutende las acelera a traveacutes de la fuerza eleacutectrica) Sin embargo el campo magneacutetico
siacute tiene influencia sobre cargas eleacutectricas en movimiento [15]
Por ejemplo en el estado soacutelido si una carga en movimiento atraviesa un campo magneacutetico
la misma sufre la accioacuten de una fuerza magneacutetica que no modifica la velocidad pero siacute la
trayectoria Cabe mencionar que en el estado liacutequido o en el estado gaseoso el efecto del campo
magneacutetico no estaacute bien definido
Figura 14 El campo magneacutetico
8
La unidad de campo magneacutetico en el Sistema Internacional es el tesla (T) Un tesla se define
como el campo magneacutetico que ejerce una fuerza de 1 N (newton) sobre una carga de 1 C (coulomb)
que se mueve a velocidad de 1 ms dentro del campo
122 Definicioacuten de corrosioacuten
Se denomina corrosioacuten al ataque destructivo de un material generalmente metaacutelico por reaccioacuten
quiacutemica o electroquiacutemica con su medio ambiente (atmoacutesfera suelo agua etc)
La reaccioacuten baacutesica de corrosioacuten es
M Mn+ + ne-
De acuerdo con ello tambieacuten es posible definir la corrosioacuten desde un punto de vista maacutes
electroquiacutemico como el traacutensito de un metal de su forma elemental a su forma ioacutenica o combinada
con una respectiva cesioacuten de electrones [16] Dicho de otra manera el metal a traveacutes de la
corrosioacuten retorna a su forma combinada formando oacutexidos sulfuros hidroacutexidos etc Pues asiacute es
como los metales se encuentran habitualmente en la naturaleza por tratarse de formas
termodinaacutemicamente maacutes estables
El proceso de corrosioacuten es natural y espontaacuteneo y cuanto mayor es la energiacutea gastada en la
obtencioacuten del metal a partir del mineral tanto maacutes es la tendencia del metal a regresar a su forma
basal es decir mucho maacutes favorecida termodinaacutemicamente estaacute la reaccioacuten de oxidacioacuten
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten
Tradicionalmente se establecen dos procesos baacutesicos de ataques corrosivos atendiendo al medio
en el que se producen
Corrosioacuten seca
Corrosioacuten huacutemeda
1231 Corrosioacuten seca
Tiene lugar cuando el material se encuentra sometido a la accioacuten de gases principalmente a
temperaturas elevadas por lo que no se tiene un electrolito condensado Este tipo de corrosioacuten es
la que se produce en calderas sobrecalentadores reactores etc en la parte que estaacute en contacto
con los productos de combustioacuten
9
En la corrosioacuten seca los oacutexidos que se forman son de caraacutecter ioacutenico (cationes metaacutelicos y
aniones de oacutexido regularmente distribuidos) La estructura cristalina formada presenta
normalmente defectos reticulares (deficiencias ioacutenicas) a traveacutes de los cuales se produce la
difusioacuten de iones
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca
1232 Corrosioacuten huacutemeda
Tiene lugar cuando el material se encuentra en medios acuosos (Figura 16) Se produce
normalmente a temperatura ambiente o no muy elevada Es la maacutes extendida por cuanto afecta a
un sinfiacuten de elementos en los que el material es usado en tanques tuberiacuteas intercambiadores
precalentadores carcasas estructuras buques etc
Todos los procesos de corrosioacuten involucran transferencia de carga (iones y electrones) en
particular en el caso de corrosioacuten huacutemeda eacutesta se da a traveacutes de soluciones acuosas (electrolitos)
las cuales son eleacutectricamente conductoras En general el proceso requiere de tres etapas
1) Oxidacioacuten Los aacutetomos metaacutelicos aumentan su valencia al ceder electrones convirtieacutendose
en iones positivos los cuales pasan al electrolito
2) Transporte de carga Los electrones son transferidos al caacutetodo
3) Reduccioacuten Reaccioacuten donde se consumen los electrones generados en la oxidacioacuten
Este tipo de corrosioacuten es netamente electroquiacutemico ya que es un proceso en el que se llevan
a cabo reacciones de oxidacioacuten y de reduccioacuten de ahiacute que se conozca coacutemo proceso REDOX Cabe
mencionar que se puede favorecer una reaccioacuten u otra en caso de inclinarse por la oxidacioacuten
10
entonces se da la corrosioacuten y si es la reduccioacuten se puede proteger al metal por ejemplo con
electrodepoacutesitos
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda
124 Tipos de ataque por corrosioacuten
Es importante sentildealar que la corrosioacuten huacutemeda presenta dos tipos de ataque corrosioacuten uniforme y
corrosioacuten localizada
a) Corrosioacuten uniforme homogeacutenea o generalizada El ataque se extiende de forma
homogeacutenea sobre toda la superficie metaacutelica y por tanto la peacuterdida de material es
aproximadamente la misma en todos los puntos A este tipo de ataque se le identifica por
crecimiento 2D debido a que se desarrolla preferentemente a lo largo de la superficie Por
consiguiente es relativamente faacutecil estimar la vida uacutetil de los materiales metaacutelicos que lo
sufren
b) Corrosioacuten localizada El ataque no se distribuye de forma homogeacutenea localizaacutendose por
el contrario en determinadas zonas de la superficie metaacutelica A este tipo de ataque se le
conoce por crecimiento 3D debido a que se desarrolla de manera local dando preferencia a
la profundidad maacutes que a la superficie Dentro de este tipo de corrosioacuten existe a su vez
otra clasificacioacuten que se menciona a continuacioacuten
11
a Corrosioacuten por picadura
b Corrosioacuten por hendidura
c Corrosioacuten galvaacutenica
d Corrosioacuten intergranular
e Corrosioacuten bajo tensioacuten
f Corrosioacuten cavitacioacuten
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten
125 Celdas electroquiacutemicas
En corrosioacuten una celda es un dispositivo en el cual se producen reacciones quiacutemicas de oxidacioacuten
y reduccioacuten El aparato se integra de las siguientes partes sustancia que contiene iones (electrolito)
dos electrodos (caacutetodo y aacutenodo) y una conexioacuten eleacutectrica entre ambos electrodos
Existen dos tipos de celdas las electroliacuteticas que requieren un voltaje externo (fuente de
poder) y las electroquiacutemicas o galvaacutenicas que solamente necesitan un instrumento para registrar
voltaje Por lo cual se dice que las primeras son no espontaacuteneas y las segundas espontaacuteneas
Termodinaacutemicamente una reaccioacuten espontaacutenea presenta una energiacutea libre de Gibbs negativa y la
no espontaacutenea positiva tal como se aprecia en la Tabla 11
12
1251 Celda galvaacutenica
Una celda galvaacutenica (Figura 18) es aquella en la cual la energiacutea quiacutemica es convertida en energiacutea
eleacutectrica por medio de una reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea Esto se debe a que un metal es maacutes activo
y otro maacutes noble aacutenodo y caacutetodo respectivamente seguacuten la serie galvaacutenica por lo que al ser
conectados eleacutectricamente producen un flujo de electrones desde el caacutetodo al aacutenodo Dicho flujo
genera un potencial eleacutectrico que puede ser medido experimentalmente
Los requisitos para que se produzca un proceso de corrosioacuten en una pila galvaacutenica son los
siguientes
1 Dos superficies con distinto potencial electroacutedico
a Una de ellas que constituye al aacutenodo de la reaccioacuten al ceder electrones sufriraacute la
corrosioacuten Es decir aquiacute se lleva a cabo la reaccioacuten de oxidacioacuten Es el polo
negativo
Mdeg Mne- + ne-
b La otra que constituye el caacutetodo ganaraacute los electrones cedidos por el aacutenodo En
esta zona ocurriraacute la reaccioacuten de reduccioacuten Es el polo positivo
Mne- + ne- Mdeg
13
2 Un electrolito conductor ioacutenico que contiene los elementos caracteriacutesticos del medio
corrosivo Es justo aquiacute en el seno de la solucioacuten donde ocurre el transporte de materia
3 Una conexioacuten eleacutectricamente conductora entre el aacutenodo y el caacutetodo para que sea posible
el transporte de carga
Figura 18 Celda galvaacutenica
1252 Celda electroliacutetica
Las celdas electroliacuteticas no son espontaacuteneas por lo que debe aplicarse externamente un potencial
eleacutectrico para que funcionen Al proveer dicha energiacutea se fuerza a que una corriente eleacutectrica pase
por la celda con el fin de generar reacciones quiacutemicas de oacutexido-reduccioacuten en la superficie de los
electrodos de dicha celda Uno de los procesos maacutes conocidos es el electrodepoacutesito de metales
como cobre niacutequel o zinc Es importante puntualizar que aquiacute el aacutenodo estaraacute cargado
positivamente y el caacutetodo negativamente contrario a lo sucedido en las celdas galvaacutenicas
Las partes que conforman a la celda electroliacutetica son las siguientes
1 Electrolito Al igual que en las celdas galvaacutenicas se necesita de un conductor ioacutenico
2 Aacutenodo En este tipo de celdas el aacutenodo posee el polo positivo y aquiacute se lleva a cabo la
oxidacioacuten de la especie electroquiacutemica
3 Caacutetodo Eacuteste es el polo negativo y en eacutel se produce la reduccioacuten de la especie
electroquiacutemica
14
4 Fuente de energiacutea Es quien aplica la energiacutea necesaria para poder invertir el sentido
natural de la corriente dando lugar a una reaccioacuten quiacutemica opuesta a la que se produce
espontaacuteneamente en la pila
Figura 19 Celda electroliacutetica
13 Principios Electroquiacutemicos
131 Electrolitos
Todos los solutos que se disuelven en agua se agrupan en dos categoriacuteas electrolitos y no
electrolitos Un electrolito es una sustancia que cuando se disuelve en agua forma una disolucioacuten
capaz de conducir la electricidad Un no electrolito por lo tanto no conduce la corriente eleacutectrica
cuando se disuelve en agua
1311 Tipos de electrolitos
Los electrolitos se clasifican en fuertes y deacutebiles Los primeros son sustancias que estaacuten casi
completamente disociadas en la solucioacuten e incluyen soacutelidos ioacutenicos y aacutecidos fuertes Los uacuteltimos
poseen enlaces tan fuertes que muy difiacutecilmente se ionizan en solucioacuten permaneciendo la mayor
parte en forma de moleacuteculas las cuales no tienen la capacidad de transportar carga eleacutectrica como
lo hacen los iones Es importante mencionar que los electrolitos por buenos conductores de la
electricidad que puedan ser siempre tendraacuten menor capacidad para conducir la electricidad que los
materiales soacutelidos [17]
15
132 Ley de Ohm
Una de las maacutes importantes caracteriacutesticas eleacutectricas de un material soacutelido es la facilidad con que
transmite una corriente eleacutectrica La ley de Ohm relaciona la corriente (I) o sea el paso de carga
por unidad de tiempo con el voltaje aplicado (V) de la manera siguiente
V = IR
Donde R es la resistencia del material a traveacutes del cual pasa la corriente Las unidades de
V I y R son respectivamente voltios (V) amperios (A) y ohmios (Ω)
133 Leyes de Faraday
En electroquiacutemica es de suma importancia poder determinar la velocidad a la que ocurren las
reacciones de oacutexido-reduccioacuten cuando una corriente atraviesa una interfase soacutelido-electrolito pues
esto trae como consecuencia un transporte de materia resultado de la peacuterdida (oxidacioacuten) o
ganancia (reduccioacuten) de masa en el electrodo de trabajo
Cabe mencionar que las caracteriacutesticas superficiales del electrodo y las interacciones del
electrolito en dicha superficie son las que determinan la velocidad de reaccioacuten de un proceso
electroquiacutemico [18] Sin embargo hay tantos factores que pueden afectar directamente la velocidad
de reaccioacuten que por ello las leyes de Faraday solo son utilizables cuando el proceso controlador es
la transferencia de carga
Con las investigaciones del fiacutesico britaacutenico Michael Faraday (1791-1867) se descubrieron
las relaciones cuantitativas entre la cantidad de electricidad que pasa a traveacutes de una solucioacuten y la
cantidad de materia separada o precipitada en los electrodos Es decir con dichas expresiones es
posible calcular el transporte de materia en la interfase soacutelido-electrolito [16]
Primera Ley La masa de un ion liberado o depositado en un electrodo es proporcional a
la cantidad de electricidad que pase a traveacutes de la solucioacuten
Ec 11
16
m = 119868119905119875119860
119899119865
Donde PA es el peso atoacutemico la I la corriente en Amperes t el tiempo que pasa dicha carga
en segundos n el nuacutemero de equivalentes involucrados y F la constante de Faraday
Segunda Ley Las cantidades de sustancias liberadas o depositadas por una cantidad de
electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes Aplica cuando una misma
cantidad de electricidad atraviesa distintos electrolitos es decir cuando el proceso se lleva a cabo
en serie
1198981
1198901=
1198982
1198902
Donde m1 y m2 son las masas depositadas y e1 y e2 son los equivalentes quiacutemicos El
equivalente quiacutemico es la relacioacuten entre el peso atoacutemico y el nuacutemero de oxidacioacuten del compuesto
en cuestioacuten
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary
La ecuacioacuten de Stern-Geary establece la relacioacuten entre la densidad de corriente de corrosioacuten (icorr)
es decir la velocidad de corrosioacuten con la resistencia a la polarizacioacuten [19]
119894119888119900119903119903 = 119861
119877119875
119861 = 119887119886119887119888
2303 (119887119886 + 119887119888)
Donde ba y bc son las pendientes de Tafel anoacutedica y catoacutedica respectivamente
La constante B en la ecuacioacuten sirve para presentar una relacioacuten existente entre las
pendientes de Tafel Para que la ecuacioacuten de Stern-Geary sea aplicable es imperativo que exista
comportamiento tafeliano en el sistema electroquiacutemico
Ec 12
Ec 13
Ec 14
Ec 15
17
14 Control de la corrosioacuten
Baacutesicamente todos los meacutetodos que existen para lograr controlar la corrosioacuten de los materiales
metaacutelicos son intentos para interferir con el mecanismo de corrosioacuten de tal manera que se pueda
hacer que eacuteste sea lo maacutes ineficiente posible Dado que para que exista un proceso de corrosioacuten
debe formarse una pila o celda de corrosioacuten ademaacutes de una diferencia de potencial entre los
electrodos o zonas anoacutedicas y catoacutedicas la eliminacioacuten de alguno de los componentes esenciales
de la mencionada pila podriacutea llegar a detener el proceso [20]
En la praacutectica existen tres maneras de lograr lo anterior y enseguida se explicaraacute en queacute
consiste cada una Sin embargo es muy importante sentildealar que ninguacuten meacutetodo elimina la
corrosioacuten sino que todos disminuyen la velocidad de la reaccioacuten de oxidacioacuten ya que el metal
siempre buscaraacute la condicioacuten de miacutenima energiacutea que es la formacioacuten de oacutexidos e hidroacutexidos
141 Proteccioacuten catoacutedica
Se debe recordar que toda estructura propensa a corroerse presenta zonas catoacutedicas y anoacutedicas
siendo estas uacuteltimas aquellas aacutereas donde se lleva a cabo la corrosioacuten Pero si todas las aacutereas
anoacutedicas se pudieran convertir en catoacutedicas la estructura completa funcionariacutea como caacutetodo y la
corrosioacuten se disminuiriacutea considerablemente [21] Ese es el mecanismo de accioacuten de la proteccioacuten
catoacutedica y se puede llevar a cabo de dos maneras tal como lo muestra la Figura 110
Por corriente impresa La proteccioacuten se logra aplicando una corriente externa a partir de
un rectificador que suministra corriente continua de bajo voltaje El terminal positivo de la
fuente de corriente se conecta a un aacutenodo auxiliar (grafito por ejemplo) localizado a una
determinada distancia de la estructura a proteger y el terminal negativo se conecta a la
estructura metaacutelica
Por aacutenodos de sacrificio El metal a proteger se conecta a otro metal menos noble seguacuten
la serie galvaacutenica que actuaraacute como aacutenodo en la celda de corrosioacuten En ese caso la
estructura actuaraacute como caacutetodo y quedaraacute protegida por el ldquosacrificiordquo del aacutenodo que se
corroeraacute
18
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de sacrificio de
magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
142 Inhibidores de corrosioacuten
Los inhibidores son sustancias orgaacutenicas o inorgaacutenicas que se agregan a la solucioacuten corrosiva con
el fin de disminuir su poder de ataque y asiacute reducir la velocidad de corrosioacuten Se puede decir que
un inhibidor es un calmante de la corrosioacuten pues como ya se mencionoacute con anterioridad ninguacuten
meacutetodo la elimina en su totalidad
El comportamiento de los inhibidores puede ser muchas veces peligroso ya que en funcioacuten
de la concentracioacuten pueden jugar tanto el papel de inhibidores como de estimuladores de la
corrosioacuten [21]
Los hay de dos tipos aunque a veces se utiliza una combinacioacuten de ambos
1) Inhibidores anoacutedicos Actuacutean formando un compuesto insoluble el cual precipita en los
lugares afectados por la peacuterdida de materia evitando la reaccioacuten anoacutedica y por lo tanto
inhibe la corrosioacuten Ejemplos hidroacutexido soacutedico carbonato silicato y borato de sodio
ciertos fosfatos cromato soacutedico nitrito y benzoato de sodio etc
2) Inhibidores catoacutedicos Actuacutean sobre toda la superficie formando una capa o peliacutecula de
alta resistencia eleacutectrica la cual funciona como una barrera para la corriente de corrosioacuten
Ejemplos sulfato de zinc sulfato de magnesio bicarbonato de calcio etc
143 Recubrimientos protectores
Los recubrimientos representan la primera liacutenea en la lucha contra la corrosioacuten Los recubrimientos
sea cual fuere su tipo no mejoran las caracteriacutesticas mecaacutenicas del elemento sin embargo
preservan su resistencia e integridad Sus objetivos pueden ser variados siendo el principal aislar
la estructura del medio agresivo con el que se encuentra en contacto (agua suelo y atmoacutesfera por
lo general) aunque tambieacuten cumplen en ocasiones fines cosmeacuteticos
19
En general se emplean bajo condiciones muy amplias como puede ser exposicioacuten
atmosfeacuterica inmersioacuten en agua estructuras enterradas elementos sometidos a quiacutemicos etc Los
recubrimientos representan la uacuteltima etapa de los procesos de fabricacioacuten de cualquier pieza
sistema o equipo siendo normalmente aplicados antes del ensamble [21] Existe por lo tanto una
amplia gama de materiales que pueden ser utilizados como recubrimientos de los metales
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos
Orgaacutenicos Los recubrimientos orgaacutenicos son poliacutemeros y resinas producidas en forma
natural o sinteacutetica generalmente formulados para aplicarse como liacutequidos que se secan o
endurecen como peliacuteculas delgadas en materiales del sustrato Por ejemplo las pinturas
Inorgaacutenicos Los recubrimientos inorgaacutenicos proporcionan acabados tersos y maacutes
duraderos los maacutes usados son el vidrio y los ceraacutemicos
Metaacutelicos Los recubrimientos metaacutelicos se aplican mediante capas finas que funcionen
como aacutenodos sacrificables que puedan ser corroiacutedos en lugar del metal subyacente Por
ejemplo Niquelado cromado galvanizado electroliacutetico inmersioacuten en caliente etc
15 Galvanoplastia
La galvanoplastia es una teacutecnica que proporciona un recubrimiento metaacutelico a una estructura que
deseamos proteger El elemento adherido modifica las propiedades superficiales del material sobre
el cual se depositan promoviendo caracteriacutesticas que son imposibles de obtener en el metal base
Es un meacutetodo que se fundamenta en la electroacutelisis para asiacute cubrir un metal base con un fina
capa de otro metal ya sea cobre niacutequel cromo oro plata con el fin de embellecerlo o impartirle
resistencia a la corrosioacuten
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten
La electrodeposicioacuten puede ser de un solo metal de capas de diferentes metales o de una aleacioacuten
(por ejemplo latoacuten) Los metales maacutes utilizados para electrodepoacutesito son en orden de importancia
zinc niacutequel estantildeo y cadmio [22] Tambieacuten es usual recubrir con oro plata y platino En el caso
de aleaciones es comuacuten la aplicacioacuten de Babbitts (aleaciones Pb-Sn) Es conveniente mencionar
que la mayoriacutea de los metales se pueden depositar por eacuteste procedimiento
20
En teacuterminos simples este proceso consiste en la inmersioacuten de la parte a recubrir en un
electrolito que contenga iones del metal a depositar para asiacute proceder al paso de una corriente
directa que permita el depoacutesito en la pieza (caacutetodo) donde los iones son repuestos por la accioacuten de
la propia corriente sobre el aacutenodo
Pero iquestcoacutemo sucede realmente el fenoacutemeno de la electrodeposicioacuten A continuacioacuten se
daraacute una explicacioacuten maacutes detallada sin embargo solo las reacciones en el caacutetodo seraacuten presentadas
ya que en general las reacciones en un aacutenodo soluble seraacuten las inversas de aquellas presentes en
el caacutetodo
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre
Suponga una solucioacuten de una sal metaacutelica tal como el sulfato de cobre (Figura 111) la sal
se disocia considerablemente formando cationes cargados positivamente y aniones cargados
negativamente como ya se ha mencionado anteriormente El agua presente se disocia un poco para
formar iones hidroacutegeno e hidroxilo Todo aacutecido sulfuacuterico presente se disocia tambieacuten en iones
hidroacutegeno y en iones ya sea HSO4- o ya sea SO4
-2 La mayor parte de estos iones estaacuten hidratados
o sea que se encuentran combinados con una o maacutes moleacuteculas de agua
Cuando se aplica un potencial a dos electrodos en una solucioacuten asiacute los cationes cargados
positivamente emigran hacia el caacutetodo y los aniones negativos se mueven hacia el aacutenodo En una
solucioacuten acidificada la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es relativamente alta y la de los iones
hidroxilo es muy baja En virtud de que los iones hidroacutegeno se mueven maacutes raacutepidamente que los
iones cobre la mayor parte de la corriente es llevada hacia el caacutetodo por los iones hidroacutegeno Sin
embargo es maacutes faacutecil descargar los iones cobre asiacute que praacutecticamente toda la corriente que se usa
en el caacutetodo es para depositar cobre
21
Es difiacutecil representar el proceso implicado en el depoacutesito real de un metal sobre el sustrato
El caacutetodo se encuentra cargado negativamente o sea tiene una concentracioacuten de electrones
relativamente alta los cuales siempre aprovechan la oportunidad de combinarse con iones cargados
positivamente para asiacute formar los aacutetomos metaacutelicos
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel
El niacutequel (Ni) es un elemento quiacutemico de nuacutemero atoacutemico 28 situado en el grupo 10 de la tabla
perioacutedica de los elementos Es un metal blanco plateado duro maleable y duacutectil que puede
presentar un intenso brillo
Como elemento aleante proporciona resistencia tenacidad y proteccioacuten contra la corrosioacuten
El uso principal del niacutequel como metal es en la electrodeposicioacuten de piezas ya que funge como
protector corrosivo y de desgaste ante otros materiales que suelen ser maacutes susceptibles
ambientalmente tal como el hierro o el acero ademaacutes de embellecer la superficie El niacutequel es un
metal muy poco activo y bajo casi todas las condiciones tiende a resistir manchas y oxidacioacuten [23]
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel
Normalmente los galvanizados de niacutequel se hacen a partir de soluciones aacutecidas variando en un
rango de pH de 15 a 60 Una excepcioacuten es el uso de un bantildeo alcalino amoniacal de niacutequel con un
pH cerca de 9 [22]
A pesar de las muchas foacutermulas de bantildeos de niacutequel casi todas ellas contienen tres componentes
esenciales
Sulfato de niacutequel Constituye la principal fuente de iones niacutequel ademaacutes de controlar los
liacutemites admisibles de densidad de corriente
Cloruro de niacutequel Suministra los iones cloruros necesarios para asegurar la corrosioacuten de
los aacutenodos de niacutequel Tambieacuten es una fuente secundaria de iones niacutequel
Aacutecido boacuterico Actuacutea como agente tampoacuten y para conservar la adhesioacuten del depoacutesito de
niacutequel
A continuacioacuten se enlistan las teacutecnicas principales que se utilizan en los depoacutesitos de niacutequel
[22] Cabe mencionar que las concentraciones exactas y las condiciones de operacioacuten pueden
modificarse pero los valores que se dan pueden servir de guiacutea
22
1 Niacutequel a bantildeo friacuteo diluido
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 09 120 16
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Fluoruro de amonio NH4F 057 65 87
2 Bantildeo caliente Tipo Watts
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 04 45 6
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
pH para operacioacuten a un alto pH 45-55 a un bajo pH 15-30
Temperatura 43deg C (110 degF)
Densidad de corriente 2-7 ampdm2 (20-65 ampft2)
3 Bantildeo de alto sulfato
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 05 70 9
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Sulfato de sodio Na2SO4 10 160 22
Aacutecido boacuterico H3BO3 025 M 15 2
pH 55
Temperatura 20-30 degC (68-86 degF)
Densidad de corriente 15-30 ampdm2 (14-28 ampft2)
4 Bantildeo brillante de niacutequel-cobalto
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
23
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 038 45 6
Sulfato de cobalto CoSO4 7H2O 011 15 2
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
Sulfato de amonio (NH4)2SO4 004 25 03
Formato de niacutequel Ni(COOH)2 067 50 67
Formaldehiacutedo HCHO (40) 25 03
pH 45
Temperatura 55 degC (131 degF)
Densidad de corriente 3 ampdm2 (28 ampft2)
1522 Condiciones de operacioacuten
El caraacutecter del depoacutesito depende de varios factores incluyendo la temperatura la densidad de
corriente el pH la distancia entre los electrodos y la agitacioacuten los cuales se ajustan para producir
recubrimientos gruesos o delgados mates o brillantes suaves o duros duacutectiles o fraacutegiles [22] Cabe
mencionar que los valores oacuteptimos para cada factor variacutean de acuerdo con el tipo del bantildeo por lo
que no es posible dar cifras determinadas En su lugar se indicaraacuten los efectos sobre el caraacutecter de
los depoacutesitos obtenidos
pH La eleccioacuten de pH es regida por el tipo de bantildeo y las propiedades que se desean en el
depoacutesito En general en bantildeos de niacutequel opaco un aumento en el pH especialmente arriba de 50
produce depoacutesitos maacutes duros probablemente como resultado de mayor precipitacioacuten
Reciacuteprocamente los depoacutesitos de bajo pH seraacuten probablemente suaves
Temperatura La ventaja de aplicar altas temperaturas depende de varios factores
incluyendo (1) maacutes elevada solubilidad del niacutequel u otras sales (2) mayor conductividad (3)
reducida polarizacioacuten en ambos electrodos y (4) aumento de eficiencia en el aacutenodo y caacutetodo
Aunque de igual manera se pueden presentar ciertas desventajas (1) aumento de la tendencia a la
precipitacioacuten de impurezas (2) la propensioacuten a coagular agentes abrillantadores (3) vaporizacioacuten
excesiva (4) produccioacuten de depoacutesitos pasivos y (5) menor potencia de depoacutesito
Densidad de corriente La densidad de corriente es dependiente de los dos factores
anteriores A temperatura ambiente especialmente en bantildeos diluidos se emplean densidades de
24
corriente de 5 a 20 Aft2 (05 a 2 Adm2) En bantildeos maacutes fuertes y calientes se pueden usar
densidades de corriente hasta de 60 Aft2 (6 Adm2)
Agitacioacuten El efecto de la agitacioacuten equivale a un aumento en concentracioacuten de niacutequel y a
una disminucioacuten de pH lo que permite densidades de corriente maacutes altas Una desventaja de la
agitacioacuten raacutepida en los bantildeos de niacutequel es que con el movimiento suben a la superficie las partiacuteculas
suspendidas lo que trae consigo un depoacutesito aacutespero
Distancia entre electrodos La elaboracioacuten de recubrimientos con espesor uniforme
depende tambieacuten de la propia disposicioacuten y espacio adecuado de las piezas de trabajo aacutenodo y
caacutetodo Por lo que entre maacutes cercana esteacute la superficie a recubrir del aacutenodo mayor seraacute el espesor
del depoacutesito obtenido
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel
Las propiedades fiacutesicas del niacutequel electrodepositado son de especial intereacutes porque hay una gran
variedad de propiedades el control de las cuales de las cuales crea aplicaciones especiales del
niacutequel por ejemplo en electroformacioacuten Las siguientes propiedades son para depoacutesitos opacos de
niacutequel [22]
Dureza Esta variacutea en los diferentes depoacutesitos de niacutequel cerca de 130 a 430 HB En el bantildeo
tipo Watts se obtuvo un miacutenimo de dureza a un pH de 3 obtenieacutendose depoacutesitos maacutes duros abajo
y arriba de este liacutemite Los depoacutesitos maacutes duros se obtienen con un alto pH
Resistencia a la tensioacuten En general la resistencia a la tensioacuten es casi paralela a la dureza
y va de 56 000 a 160 000 lbplg2 (3 900 a 11 000 kgcm2)
Ductilidad La ductilidad medida por elongacioacuten es casi inversamente proporcional a la
dureza y a la resistencia a la tensioacuten
Resistividad eleacutectrica La resistividad eleacutectrica del niacutequel depositado es influenciada por el
contenido de inclusiones como el oacutexido y el cobalto Se presenta un poco en un pH 3
Composicioacuten Los depoacutesitos de niacutequel contienen oxiacutegeno e hidroacutegeno probablemente
presentes como compuestos baacutesicos del niacutequel como Ni(OH)2 El cloruro puede estar presente en
los depoacutesitos de todos los bantildeos de cloruro Estas inclusiones indudablemente tienen influencia en
la dureza y resistencia a la tensioacuten
25
1524 Niquelado en diferentes metales base
Debido a que el niacutequel es el maacutes extensamente aplicado a numerosos metales base solo algunos
ciclos empleados seraacuten considerados en esta seccioacuten [22]
Niquelado en acero El niacutequel puede ser depositado directamente sobre acero o sobre una
capa delgada o gruesa de cobre Debido a numerosas pruebas de corrosioacuten y a lo demostrado por
la experiencia se sabe que las capas de cobre ejercen menos proteccioacuten que una densidad igual de
niacutequel por lo tanto la tendencia actual es eliminar el cobre
Niquelado en hierro vaciado La dificultad de galvanizar sobre hierro vaciado estaacute
indudablemente asociada con la presencia de carbono liberado o grafito en el hierro Si eacuteste
permanece parcialmente embebido el niacutequel no se deposita tan faacutecilmente sobre el carboacuten o
carburos como en los cristales de hierro Por ello se utiliza una capa de cobre ya que mejora la
adhesioacuten del niacutequel al hierro vaciado La limpieza catoacutedica en caacuteustico fundido es algunas veces
efectiva y la saturacioacuten en aacutecido fluorhiacutedrico puede ayudar Por buena que sea la adhesioacuten del
niacutequel al hierro vaciado no es tan buena como en el acero
Niquelado en cobre y latoacuten La praacutectica maacutes comuacuten es aplicar el niacutequel directamente al
cobre o latoacuten seguido por la acostumbrada capa de cromo Ha sido demostrado concluyentemente
que las capas de cromo aplicadas directamente al latoacuten dan menos proteccioacuten contra la corrosioacuten
que cuando se aplica primero una capa de niacutequel
Niquelado en zinc y vaciados con base de zinc Se ha confirmado por muchas pruebas que
las capas adherentes de niacutequel pueden ser aplicadas directamente a troquelados de zinc usando un
alto-sulfato en bantildeo de niacutequel El principio de este bantildeo es la adicioacuten de suficiente sulfato de sodio
para reducir la actividad del ion niacutequel y aumentar la polarizacioacuten del caacutetodo De este modo se
evita que el zinc pase a la solucioacuten precipitando niacutequel oscuro Este bantildeo de alto sulfato de niacutequel
tiene una excelente conductividad y potencia de depoacutesito
Niquelado en magnesio El galvanizado de niacutequel u otros metales en magnesio o sus
aleaciones se hace difiacutecilmente por la alta actividad del magnesio y su consecuente tendencia a
depositar niacutequel u otros metales pesados por inmersioacuten Debido a la gran diferencia de potenciales
de solucioacuten del magnesio y de metales como el cobre niacutequel o cromo eacutestos pueden galvanizarse
sobre el magnesio cuya corrosioacuten se acelera raacutepidamente si hay algunos poros o discontinuidad en
26
los recubrimientos Mientas no se pueda demostrar que pueden producirse y mantenerse
recubrimientos electroliacuteticos casi impenetrables en el magnesio y sus aleaciones es de dudarse que
estos galvanizados puedan tener una aplicacioacuten industrial
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de materiales consiste en la obtencioacuten de informacioacuten acerca de un material
bajo estudio (composicioacuten estructura morfologiacutea y otras propiedades) a partir de la interaccioacuten de
una sentildeal (eleacutectrica luminosa teacutermica etc) con una porcioacuten de dicho material Por tanto toda
caracterizacioacuten de un material supone una agresioacuten es decir una perturbacioacuten del mismo El
estudio de la respuesta del material a dicha perturbacioacuten tiene la finalidad de dar a conocer las
propiedades del mismo para asiacute predecir si seraacute uacutetil o no en una determinada aplicacioacuten
Se puede asegurar que la ayuda de las nuevas teacutecnicas de caracterizacioacuten y anaacutelisis ha sido
indispensable en el disentildeo siacutentesis y procesado de estos materiales permitiendo un cuidadoso
control de sus propiedades e incluso en muchos casos con la posibilidad de fijar de antemano
alguna de sus caracteriacutesticas
161 Dureza
La dureza es una propiedad de los materiales soacutelidos y se define como la resistencia que oponen
estos materiales a ser deformados Una buena dureza significa generalmente que el material es
resistente al rayado y al desgaste [23]
1611 Ensayo de dureza Vickers
Este ensayo usa un indentador en forma de piraacutemide hecho de diamante Figura 112 (a) El ensayo
se basa en el principio de que las impresiones hechas por este indentador tienen geometriacuteas
similares independientemente de la carga aplicada En consecuencia se aplican varias cargas
dependiendo de la dureza del material a ensayar [24] la dureza Vickers se determina entonces con
la foacutermula
HV = 1854 119865
1198632
Donde F es la fuerza aplicada en kgf y D es la diagonal de la impresioacuten hecha por el
indentador en mm El ensayo Vickers puede usarse para todos los metales porque cuenta con una
de las escalas maacutes amplias entre los ensayos de dureza
Ec 16
27
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante un ensayo de dureza
162 Rugosidad
El acabado superficial de los cuerpos puede presentar errores de forma macro y micro geomeacutetricos
auacuten las superficies consideradas como ldquomuy lisasrdquo muestran cuando son analizadas a escala
sumamente fina una compleja diversidad de particularidades geomeacutetricas [25] Por lo tanto la
rugosidad es el conjunto de irregularidades en una superficie real
1621 El perfiloacutemetro
El rugosiacutemetro o perfiloacutemetro es por mucho el equipo maacutes utilizado en la industria para medir la
rugosidad de componentes comunes El principio de operacioacuten de este equipo es simple una fina
punta en contacto con la superficie a analizar realiza un barrido controlado en liacutenea recta y las
variaciones de alturas se convierten en sentildeales eleacutectricas que son debidamente registradas
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro
28
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB)
En el microscopio electroacutenico de barrido se construyen imaacutegenes aprovechando la emisioacuten de
electrones (electrones secundarios) de una muestra cuando sobre ella incide un haz enfocado de
electrones de alta energiacutea La muestra tambieacuten emite rayos X los cuales pueden ser analizados para
obtener informacioacuten sobre la composicioacuten del material [26] Cada sentildeal del MEB es captada con
un detector apropiado
Los electrones emitidos por la interaccioacuten del haz incidente y la muestra son colectados por
los correspondientes detectores para producir una sentildeal eleacutectrica la cual se utiliza para modular la
intensidad de un haz de electrones que incide en la pantalla de un tubo de rayos catoacutedicos (TRC)
de manera que mediante un barrido sincronizado del haz incidente en la superficie de una muestra
y del haz incidente en la pantalla del TRC se produce la imagen de la muestra [26]
La emisioacuten de electrones y de rayos X de la muestra se origina por las colisiones de
electrones del haz incidente con electrones de los aacutetomos del material de la probeta tal como se
puede observar en la Figura 114
Algunas colisiones son elaacutesticas de modo que algunos electrones del haz primario pueden
salir de la superficie de la muestra sin una significativa peacuterdida de energiacutea estos son los llamados
electrones reflejados Pero la mayoriacutea de las colisiones son inelaacutesticas y entre otros efectos
originan emisioacuten de electrones de baja energiacutea conocidos como electrones secundarios
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y fotones por la
interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
29
1631 Componentes baacutesicos del MEB
Cantildeoacuten de electrones que produce un haz con energiacutea entre 5 keV y 30 keV con un diaacutemetro
efectivo entre 01 microm y 10 microm
Lentes electromagneacuteticas condensadoras que reducen el diaacutemetro del haz de manera que en
la superficie de la muestra se tiene un diaacutemetro apropiado al aumento de la imagen
Apertura final la cual controla la divergencia del haz incidente en la muestra
Una lente objetivo que enfoca el haz en la superficie de la muestra
Sistema de barrido el cual permite la construccioacuten de la imagen en la pantalla del TRC por
el barrido del haz en la superficie de la muestra
Detectores de sentildeales emitidas por la muestra (Electrones secundarios electrones
reflejados rayos X etc)
Tubo de rayos catoacutedicos para presentacioacuten de la imagen
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica es una teacutecnica relativamente nueva que permite obtener
imaacutegenes de superficies a escala molecular [27] El microscopio consta esencialmente de una punta
de Si3N4 montada sobre un fleje Con esta punta se realiza un barrido sobre la superficie de la
muestra la cual se situacutea sobre un escaacutener piezoeleacutectrico El funcionamiento del microscopio se
basa en el control por un ordenador de la fuerza ejercida por la punta durante el barrido (Ver Figura
30
116) En el modo denominado de contacto la fuerza punta-muestra se mantiene constante
mediante un sistema de retroalimentacioacuten basado en los siguientes puntos
1) La variacioacuten de la fuerza punta-muestra se traduce en movimientos verticales y horizontales
del fleje que hacen variar la direccioacuten de un rayo laacuteser incidente sobre eacutel Estos cambios en
la direccioacuten del laacuteser son recogidos por un fotodetector y analizados por un ordenador
2) Los aumentos o disminuciones de fuerza son compensados por el ordenador que enviacutea una
sentildeal al piezoeleacutectrico para que acerque o aleje la muestra a la punta
3) Tanto las variaciones del haz luminoso como los movimientos controlados del
piezoeleacutectrico son convertidos por el ordenador en un mapa topograacutefico de la superficie
Figura 116 Funcionamiento de un MFA
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX)
El meacutetodo de difraccioacuten por rayos X es una herramienta poderosa para investigar la disposicioacuten
ordenada de los aacutetomos o moleacuteculas por medio de la interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica
para producir efectos de interferencia con estructuras comparables en tamantildeo a la longitud de onda
de la radiacioacuten
31
Al igual que con los tipos de radiacioacuten electromagneacutetica la interaccioacuten entre el vector
eleacutectrico de la radiacioacuten X y los electrones de la materia que atraviesa da lugar a una dispersioacuten
Cuando los rayos X son dispersados por el entorno ordenado de un cristal tienen lugar
interferencias (constructivas y destructivas) entre los rayos dispersados ya que las distancias entre
los centros de dispersioacuten son del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la radiacioacuten
La teacutecnica de difraccioacuten de rayos X aplicada al estudio de materiales permite obtener
informacioacuten importante sobre distintos aspectos de los mismos Para recubrimientos [28] eacutesta
teacutecnica es imprescindible para determinar
Tipo de estructura (FCC HCP etc)
Esfuerzos residuales
Microdeformaciones
Tamantildeo de grano
Fases presentes
Proporcioacuten relativa de las fases
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X
El fenoacutemeno de difraccioacuten es la interferencia entre las ondas que se genera cuando hay un objeto
en su trayecto Para comprender mejor esto supoacutengase dos planos reticulares 1 y 2 tal como en la
Figura 117 de un cristal con una distancia d entre ambos converge un haz de rayos X procedente
de A con un aacutengulo de incidencia θ este haz en parte se refleja sobre el primer plano hacia F y
en parte atraviesa y se refleja sobre el plano 2 hacia F3 y asiacute sucesivamente sobre los otros planos
[29]
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X
32
En el punto D se sobrepone un rayo reflejado por el primer plano reticular y el otro del
segundo cuya diferencia de camino despueacutes de la reflexioacuten es CD-ED Si tal diferencia es un
muacuteltiplo entero n de la longitud de onda λ de la radiacioacuten X los dos rayos en D estaraacuten en
concordancia de fase y sobreponieacutendose aumentaraacute su intensidad
Por el contrario si estaacuten en discordancia tenderaacuten a anularse Para que se verifique esta
condicioacuten es necesario que las magnitudes λ d θ y n satisfagan la relacioacuten de la Ley de Bragg
nλ = 2 d sen θ
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP)
La teacutecnica electroquiacutemica llamada Resistencia a la Polarizacioacuten es el resultado de la aproximacioacuten
de bajo campo a la ecuacioacuten de Butler-Volmer y por este motivo se debe aplicar solamente cuando
exista control activacional o por transferencia de carga
Los materiales que son susceptibles de ser evaluados mediante la aplicacioacuten de la RP deben
estar inmersos en electrolitos conductores es decir que la resistividad de las soluciones no sea alta
y deben encontrarse libres de peliacuteculas resistivas
1661 Procedimiento experimental
Para realizar un estudio experimental de Resistencia a la Polarizacioacuten lo mejor es acudir a la norma
ASTM G 59-91 [32] En general los pasos a seguir de acuerdo a la norma son los siguientes
Usar un puente salino que acerque el electrodo de referencia a 2 o 3 mm de la superficie
del electrodo de trabajo
Registrar el potencial de corrosioacuten despueacutes de 5 minutos
Aplicar un potencial 30 mV maacutes negativo que el potencial registrado
Un minuto despueacutes de que se aplique el potencial se inicia un barrido con direccioacuten anoacutedica
a 06 Vh (10 mVmin) registrando el potencial y la corriente continuamente
Terminar el barrido cuando se alcanza un valor de 30 mV positivo que el potencial de
corrosioacuten
Graficar la curva de polarizacioacuten
Determinar graacuteficamente la resistencia a la polarizacioacuten como la tangente a la curva en el
origen de la graacutefica
Ec 17
33
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE)
La teacutecnica de Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica es un meacutetodo electroquiacutemico
utilizado en estudios de corrosioacuten el cual se basa en el uso de una sentildeal de corriente alterna (CA)
que es aplicada a un electrodo (metal en corrosioacuten) y determinando la respuesta correspondiente
En el procedimiento experimental comuacutenmente utilizado se aplica una sentildeal sinusoidal de
voltaje y se mide su respuesta en corriente a diferentes frecuencias aunque es posible aplicar una
pequentildea cantidad de corriente y medir la respuesta del potencial El voltaje la corriente y la
frecuencia son relacionadas por la impedancia en una forma anaacuteloga a la ley de Ohm
V = IZ
Donde Z es la impedancia del circuito A diferencia de la resistencia la impedancia de un
circuito puede depender de la frecuencia aplicada
Cuando se aplica una sentildeal de CA incluso en un sistema de corrosioacuten sencillo se comporta
de manera maacutes complicada que una sola resistencia Pues existe tambieacuten una capacitancia la de la
doble capa electroquiacutemica (Cdl) que es debida a la carga de las especies existentes en la interfase
metal-electrolito y que se encuentra presente en todos los sistemas corrosivos Ademaacutes estaacute la
resistencia de la solucioacuten (Rs) para que se le permita La combinacioacuten de estos tres componentes
proporciona un circuito equivalente simple para un metal que se corroe Dicho circuito es una
combinacioacuten de elementos eleacutectricos tales como resistores y capacitores lo que da la misma
respuesta a sentildeales eleacutectricas como el metal real que se corroe [30] El circuito simple descrito
anteriormente se muestra en la Figura 118
Figura 118 Circuito equivalente simple
Los espectros de impedancia se pueden utilizar para identificar y cuantificar las
capacitancias en el sistema y para separar diferentes resistencias por ejemplo la resistencia de la
solucioacuten y la resistencia a la polarizacioacuten A altas frecuencias la resistencia de la solucioacuten se puede
cuantificar A frecuencias maacutes bajas los diferentes tipos de procesos se producen en diferentes
Ec 18
34
escalas de tiempo (en diferentes frecuencias) y puede ser posible identificar los procesos de
difusioacuten o los fenoacutemenos de adsorcioacuten y desorcioacuten [3031]
1671 Representaciones graacuteficas
Solamente existen dos maneras de representar los valores experimentales de la espectroscopia de
impedancia electroquiacutemica
1 Diagramas de Nyquist Tipo de representacioacuten maacutes comuacuten que consiste en graficar los
valores de la impedancia real frente a los de la impedancia imaginaria Estos diagramas
permiten identificar la resistencia del electrolito la resistencia a la transferencia de carga y
la resistencia a la polarizacioacuten [3031] en la mayor parte de los casos La Figura 119
muestra un ejemplo de este tipo de diagramas
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist
2 Diagramas de Bode En este tipo de representaciones se pueden obtener dos diagramas el
moacutedulo de la impedancia y el aacutengulo de fase (Figura 120) Tambieacuten en funcioacuten de la parte
real o la imaginaria pero en escala logariacutetmica Ambos graacuteficos son particularmente uacutetiles
cuando existen constantes de tiempo con valores muy proacuteximos que no se pueden distinguir
en los diagramas de Nyquist
35
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b) Moacutedulo de
impedancia
1672 Ecuacioacuten de Brug
Como bien se sabe el objetivo de los experimentos de EIS es a menudo extraer la capacitancia de
las peliacuteculas (posiblemente como una funcioacuten del potencial aplicado) y por lo tanto para obtener
informacioacuten sobre las propiedades dieleacutectricassemi-conductoras de dichas peliacuteculas Sin embargo
en diversos sistemas la estimacioacuten de la capacitancia es difiacutecil debido a que un comportamiento
de elemento de fase constante (CPE) se observa en lugar de un comportamiento capacitivo
Brug [33] propuso una foacutermula (Ec 19) que relaciona la resistencia del electrolito (Re) y
la resistencia a la transferencia de carga (Rtc) donde es posible calcular la capacitancia contenida
en el CPE
119862 = 1198761
120572[119877119890minus1 + 119877119905119888minus1]1minus120572
120572
Donde C es la capacitancia Q es el factor de Brug Re es la resistencia del electrolito Rtc
es la resistencia a la transferencia de carga y α es la pendiente de la impedancia calculada a bajas
frecuencias
Ec 19
36
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental
21 Preparacioacuten superficial de muestras
A partir de una laacutemina de acero 1018 de 150 x 1 m se cortaron 48 placas de 10 x 2 cm cada una
con una cizalla ya que se necesitaba que cada muestra fuera perfectamente paralela para el proceso
de electrodeposicioacuten
Las placas de acero presentaban una capa de oacutexido por lo que se siguioacute la norma ASTM
G1 [34] para decapar cada muestra durante 10 minutos en HCl al 50 (Ver figura 21) para
posteriormente lavarse con agua potable y asiacute pasar al lijado con granulometriacutea 180 240 320 400
y 600 Seguido de un lavado con agua destilada para eliminar residuos de material removido y
finalizando con un bantildeo de acetona para retirar cualquier resto de humedad y grasa
Figura 21 Decapado de muestras
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos
Para los electrodepoacutesitos con influencia de un campo magneacutetico se utilizaron dos imanes de
neodimio sin embargo no teniacutean sentildealizacioacuten alguna para diferenciar sus polos ni se conociacutea el
valor del campo Entonces se utilizoacute una bruacutejula para determinar el norte y sur de cada imaacuten asiacute
como se aprecia en la Figura 22
37
Figura 22 Determinacioacuten de los polos
Y el campo magneacutetico se midioacute con un gausiacutemetro Marca RFL modelo 91 (Figura 23)
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico
23 Preparacioacuten del electrolito
Para el proceso de electrodeposicioacuten se empleoacute un bantildeo Watts estaacutendar [35] cuya composicioacuten se
presenta en la Tabla 21
38
Para la deposicioacuten electroliacutetica sin campo se preparoacute un litro de solucioacuten y para la que teniacutea
influencia de campo magneacutetico se hicieron dos litros
24 Obtencioacuten de recubrimientos
Para las electrodeposiciones se utilizoacute una fuente de poder marca Good Will Instrumets modelo
GPR-3510HD En cuya terminal negativa se conectoacute el caacutetodo (acero 1018) y en la positiva el
aacutenodo (niacutequel soacutelido Figura 24) Ambos electrodos se colocaron paralelamente cara con cara
Figura 24 Rondelas de niacutequel
Los electrodepoacutesitos de niacutequel sobre acero 1018 con y sin influencia de campo magneacutetico
se llevaron a cabo a voltaje constante siendo eacuteste de 4 V midiendo la corriente resultante al
finalizar el proceso las muestras se lavaron con agua destilada y se dejaron secar al ambiente Se
realizaron seis condiciones diferentes tal como lo muestra la Tabla 22
En el caso de los electrodepoacutesitos en presencia de campo magneacutetico se utilizaron dos
imanes de Neodimio (Valor fluctuante de 15 a 34 T) los cuales se instalaron en la cuba
electroliacutetica el polo norte cerca del aacutenodo y el polo sur del caacutetodo tal como lo muestra la Figura
25
39
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con imanes de
neodimio
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos
Las muestras electrodepositadas con y sin presencia de campo magneacutetico se fijaron a una celda
de acriacutelico con un aacuterea de exposicioacuten de 133 cm2 en dicha celda se vertioacute una solucioacuten de NaCl
al 3 en peso se colocoacute una tapa y se introdujeron un electrodo de referencia de AgAgCl y un
contra-electrodo de grafito Dicha celda se conectoacute a un potenciostato marca Bio-logic modelo
SP-150 controlado mediante una computadora de escritorio con su respectivo software El
dispositivo utilizado para las pruebas se puede ver en la Figura 26a
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el electrodo de
referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo (ET)
40
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
Se utilizoacute la teacutecnica de RP en modo potenciodinaacutemico en un intervalo de plusmn 20 mVEcorr a una
velocidad de barrido de 01667 mVs haciendo la respectiva curva de polarizacioacuten mediante la
computadora Previo a esto el electrodo de trabajo se dejoacute estabilizar en el electrolito (NaCl al 3
peso) durante 30 minutos
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica
Al teacutermino de la medicioacuten de la RP el electrodo de trabajo se dejoacute a circuito abierto durante 15
minutos Posteriormente se utilizoacute la teacutecnica EIE en un intervalo de frecuencias de 50 kHz a 50
mHz a 7 puntos por deacutecada y 10 mV de perturbacioacuten
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos
Para la caracterizacioacuten superficial las placas se cortaron en una maacutequina dobladora a una medida
de 2 x 2 cm para asiacute poder ingresar a ciertos equipos Se eligioacute una muestra de cada condicioacuten
tanto con y sin influencia de campo magneacutetico
261 Dureza
Los estudios de dureza fueron obtenidos con un microduroacutemetro de Vickers marca
Mitutoyo Colocando las placas en el portamuestras del microscopio se hizo incidir el indentador
de diamante aplicando una carga de 10 kgf durante 20 s para un acero suave [36] Este
procedimiento se realizoacute 5 veces por muestra para obtener un promedio de dureza
262 Rugosidad
Se utilizoacute un rugosiacutemetro marca Mitutoyo modelo Surftest-402 Las muestras se colocaron
en una superficie plana y sobre ella se situoacute el palpador con punta coacutenica tal como lo muestra la
Figura 27 posteriormente se calibroacute dicha punta y entonces el equipo realizoacute un pequentildeo recorrido
sobre la superficie con el que determinoacute la rugosidad de cada muestra en microm
41
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido
Para esta caracterizacioacuten de las placas se utilizoacute el Microscopio Electroacutenico de Barrido de
alto-bajo vaciacuteo Jeol JSM 6610LV con un voltaje de 20 kV y una distancia de trabajo de 10 mm
Las placas se colocaron en un portamuestras (Figura 28) y se analizaron a alto vaciacuteo Las imaacutegenes
se formaron con una sentildeal de electrones secundarios a 500 1000 y 5000X
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
Se utilizoacute un Microscopio de Fuerza Atoacutemica marca Asylum Research modelo Cypher que cuenta
con una punta de silicio que tiene una constante de 2 Nm (conforme se va desgastando va
disminuyendo su valor)
Para las muestras sin influencia de campo magneacutetico se utilizoacute el modo contacto es decir
la fuerza entre la punta y la muestra son constantes En el caso de las muestras con influencia de
campo magneacutetico que mostraron una superficie menos rugosa y maacutes faacutecil de medir
topograacuteficamente se usoacute el modo no contacto por lo que la punta no tocaba la muestra sino que
42
oscilaba a una distancia de entre 1 y 10 nm Todas las imaacutegenes se obtuvieron en un aacuterea de 10 x
10 microm a una velocidad de barrido de 10 Hz escaneando 512 liacuteneas generadas por 512 puntos en
zonas especiacuteficas
265 Difraccioacuten de rayos X
Para esta caracterizacioacuten se utilizoacute un difractoacutemetro de rayos X marca Siemens modelo D5000
Las condiciones de operacioacuten fueron las siguientes velocidad de barrido de 05 s incrementos de
0035cps 35 kV y 25 mA El intervalo de aacutengulo seleccionado fue 2θ = 30 a 120deg que es el
rango donde aparecen la mayoriacutea de los picos caracteriacutesticos del niacutequel [37]
43
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten
Para una mejor comprensioacuten de los resultados eacutestos se presentan de manera comparativa en
funcioacuten del tiempo de electrodeposicioacuten con y sin campo magneacutetico analizando dichos
recubrimientos con las teacutecnicas electroquiacutemicas planteadas en el capiacutetulo de metodologiacutea
experimental tambieacuten se realizaron anaacutelisis del comportamiento de las propiedades fiacutesicas tales
como dureza rugosidad y espesor para determinar la influencia del campo magneacutetico durante la
electrodeposicioacuten de niacutequel
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos
La Figura 31b muestra las reacciones que se llevaron a cabo en el proceso de electrodeposicioacuten
Como ya se sabe en el aacutenodo se lleva a cabo la oxidacioacuten del niacutequel y en el caacutetodo la reduccioacuten
del mismo Sin embargo en el caacutetodo tambieacuten se lleva a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten del
hidroacutegeno ya que el medio usado para la electrodeposicioacuten es aacutecido (pH = 3) por ello la eficiencia
en el caacutetodo no es del 100
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni
311 Caacutelculo de masa depositada
Para conocer la masa de Ni depositada en el acero 1018 se realizaron mediciones de peso antes y
despueacutes de que las placas fueran sometidas al proceso de electrodeposicioacuten Sin embargo como el
aacuterea de electrodepoacutesito no es la misma en todas las placas se compara la masa depositada por
centiacutemetro cuadrado tal como lo muestra la Tabla 31
44
En la tabla 31 se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten de
niacutequel la masa por unidad de aacuterea aumenta Esto se cumple para ambas temperaturas (30degC y 60degC)
y ambas condiciones (sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico) sin embargo se demostraraacute
maacutes adelante que el aumento de masa no es garantiacutea de una reduccioacuten de la velocidad de corrosioacuten
(Grafico 31) Es importante sentildealar que tanto a 30degC como a 60degC la masa de niacutequel disminuye
cuando se utiliza el campo mageacutentico sin embargo a 30degC esto no se cumple debido a que hay un
aumento de masa
312 Eficiencia en corriente
Es importante mencionar que en todos los electrodepoacutesitos la corriente final era menor que la
inicial Dicha caiacuteda de corriente se debioacute a la formacioacuten de una capa de oacutexido en el aacutenodo Figura
32 lo que ocasionoacute una disminucioacuten en la entrega de cationes (Ni2+) a la solucioacuten
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido
La eficiencia en corriente se evaluoacute con la foacutermula del Anexo 1-A y se tomoacute el valor de la
corriente inicial para dicho caacutelculo Los resultados se muestran en la Tabla 32 Mientras que
Ferreira y Colnago [12] reportaron obtener eficiencias del doble para sus peliacuteculas de cobre en
45
este caso se puede notar que la presencia del campo magneacutetico provoca una disminucioacuten en el
rendimiento del sistema
La fuente de poder se debe regular para poder otorgar los 4 V que el proceso de
electrodeposicioacuten requiere y desde el momento en que se enciende el aparato empieza a mandar
corriente Por ello ciertas eficiencias sobrepasan el 100 pues el tiempo de ajuste se excedioacute maacutes
de 50 segundos
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
En la Figura 33 se observan los resultados de la resistencia a la polarizacioacuten en funcioacuten de la
temperatura y del tiempo de exposicioacuten A 60degC se observa que el campo magneacutetico provoca una
disminucioacuten de la resistencia a la polarizacioacuten para los diferentes tiempos de electrodepoacutesito
realizados lo cual se traduce en un aumento de la velocidad de corrosioacuten de acuerdo con la
ecuacioacuten de Stern y Geary (Ec 14) Este efecto de disminucioacuten de la Rp tambieacuten se observa en
los datos a 30degC con excepcioacuten del tiempo 7 minutos
46
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal
En la Tabla 33 se presentan las variaciones de icorr y Vcorr sin campo magneacutetico y en
presencia de campo magneacutetico a 30deg y 60deg en funcioacuten del tiempo de electrodepoacutesito
En la Graacutefica 31 se puede observar que a 60degC con mayor tiempo de electrodeposicioacuten de
Ni disminuye la Vcorr Sin embargo se puede notar que con la presencia del campo las velocidades
de corrosioacuten son mayores pero respetando la tendencia antes mencionada
60degC17min CM
60degC17min SC
60degC12min CM
60degC12min SC
60degC7min CM
60degC7min SC
30degC17min CM
30degC17min SC
30degC12min CM
30degC12min SC
30degC7min CM
30degC7min SC
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Rp (Ohm cm2)
47
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de electrodeposicioacuten
La tabla 34 muestra los valores de Ecorr para ambas temperaturas (30degC y 60degC) y en las
dos condiciones ensayadas (sin campo y con campo) Sin campo magneacutetico y con excepcioacuten de
30degC y 17 min se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten el Ecorr se
desplaza hacia valores menos negativos al mismo tiempo que la Vcorr disminuye (Tabla 33) De
acuerdo con la Teoriacutea de Potencial Mixto explicada por Evans el sistema se encuentra bajo un
control tipo anoacutedico es decir que la reaccioacuten de oxidacioacuten de niacutequel se desplaza para dar un Ecorr
menos negativo al mismo tiempo que reduce la Vcorr
1198731198942+ + 2119890minus harr 119873119894deg
Sin embargo a 30degC y 17 min el sistema se encuentra bajo control catoacutedico debido a que
persiste la disminucioacuten de Vcorr ahora con un cambio en el potencial hacia valores maacutes negativos
Al comparar los valores de Ecorr sin campo magneacutetico con los de campo magneacutetico se observa que
para la temperatura 60degC los valores de Ecorr se desplazan hacia valores maacutes electronegativos
Como se discutioacute anteriormente esto se debe a un control cineacutetico tipo anoacutedico Cuando se
considera la temperatura de 30degC se observa un desplazamiento hacia valores menos negativos es
7min 12min 17min
000
002
004
006
008
010
Vco
rr (
mm
an
o)
Tiempo de electrodeposicion
60degC Sin campo
60degC Con campo
30degC Sin campo
30degC Con campo
48
decir la cineacutetica estaacute controlada por la reaccioacuten catoacutedica Diversos trabajos reportan este mismo
efecto en donde el campo magneacutetico tiene un efecto sobre la reaccioacuten de reduccioacuten de oxiacutegeno
1198742 + 21198672119874 + 4119890minus harr 4119874119867minus
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica
Como se mencionoacute previamente en el apartado 167 referente a la teacutecnica de impedancia
mediante esta teacutecnica es posible evidenciar y cuantificar el efecto que tiene la capacitancia de una
interface electroquiacutemica y asiacute proporcionar informacioacuten complementaria al estudio de corrosioacuten
Las graacuteficas 32 33 y 34 correspondientes a los diagramas de Nyquist obtenidos en los
tres diferentes tiempos de electrodeposicioacuten a 60degC con y sin influencia de campo magneacutetico
Revelan en los tres casos que el campo magneacutetico disminuye la resistencia a la transferencia de
carga (Rtc) es decir el proceso de corrosioacuten se ve favorecido tal como se pudo mostrar en los
resultados de resistencia a la polarizacioacuten De igual manera se observa una disminucioacuten en la
resistencia del electrolito (Rs) esto debido a la fuerza convectiva (visible) que ejerce el campo
magneacutetico en el electrolito el cual provoca una mejor difusioacuten de los iones dicha informacioacuten es
consistente a lo reportado por Calivar e Ispas [67]
49
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
500
1000
1500
2000 50 mHz
60degC 7min SC
60degC 7min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
1000
2000
3000
50 mHz
60degC 12min SC
60degC 12min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
50 kHz
50 mHz
Re(Z) (Ohm cm2)
50
Graacutefica 34 EIE de 60degC 17min
34 Dureza Rugosidad y Espesor
La Tabla 35 muestra que la aplicacioacuten de un campo magneacutetico durante el proceso de
electrodeposicioacuten de niacutequel provoca que la dureza disminuya lo que significa que el recubrimiento
es menos susceptible a fracturarse este resultado es similar a lo reportado por Zielinski [11] y la
disminucioacuten de fracturas en sus peliacuteculas de Co-W ante la presencia de un campo magneacutetico
Tambieacuten es importante sentildealar que la rugosidad de cada niquelado presentoacute un
empobrecimiento lo que significa que el campo magneacutetico ayuda a obtener recubrimientos maacutes
uniformes
0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000
0
3000
6000
9000
12000
15000
18000 50 mHz
60degC 17min SC
60degC 17min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
51
Los espesores fueron calculados mediante la foacutermula que aparece en el Anexo 1-B y se
puede notar que eacuteste decrece ante la presencia del campo magneacutetico Esto se puede constatar de
igual forma a partir de los datos de impedancia los cuales permitieron calcular los valores de
capacitancia a partir de la ecuacioacuten de Brug (Ec 19) cuyos resultados se muestran en la Tabla
36
Como se puede observar los valores de capacitancia con el campo magneacutetico son mayores
en un orden de magnitud que aquellos donde no existe el campo permitiendo confirmar que el
espesor maacutes delgado se encuentra con la influencia del campo
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
A continuacioacuten se muestran las imaacutegenes topograacuteficas obtenidas en el MFA Con lo cual se puede
corroborar que ocurre una disminucioacuten en la rugosidad de las peliacuteculas de niacutequel con presencia de
campo magneacutetico
52
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC-7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC-12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC-17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
36 Difraccioacuten de Rayos X
Los patrones de difraccioacuten de los recubrimientos de Ni en acero 1018 Figura 37 se caracterizan
por la presencia de los planos de la estructura cuacutebica centrada en las caras de acuerdo al PDF 03-
065-4899 [32] Esta fase cristalina estuvo presente en todos los recubrimientos
De acuerdo con lo reportado por Hu [33] la energiacutea de activacioacuten para la evolucioacuten de
hidroacutegeno es mayor en el plano (111) que en el plano (200) del Ni Dicho de otra manera en el
53
plano (200) habraacute maacutes produccioacuten de hidroacutegeno gaseoso durante el proceso de electrodeposicioacuten
de niacutequel lo que trae consigo posiblemente recubrimientos porosos
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia de campo
magneacutetico
Para los depoacutesitos en presencia de campo magneacutetico a 7 y 12min se observa una orientacioacuten
preferencial en el plano (200) sin embargo el pico a 7min es mucho mayor que el de 12
comparando estos resultados con las pruebas electroquiacutemicas y de acuerdo a los reportado por Hu
[33] esto nos lleva a suponer que en este caso el recubrimiento es maacutes poroso y delgado de acuerdo
a las medidas de espesor (Tabla 35) Para el caso de 17min con campo magneacutetico se tiene una
orientacioacuten preferencial en el plano (111) esta muestra tiene un mejor comportamiento
electroquiacutemico de acuerdo a la Figura 33 ademaacutes de acuerdo a lo reportado por Hu [33] nos lleva
a deducir que este recubrimiento es el menos poroso de los tres con campo magneacutetico Lo anterior
explica por queacute la velocidad de corrosioacuten es mayor a 7min y va disminuyendo conforme aumenta
el tiempo de electrodeposicioacuten Y tambieacuten revela la causa por la que el potencial de corrosioacuten es
maacutes negativo en presencia del campo magneacutetico La porosidad tambieacuten nos explica la razoacuten por la
cual la dureza de los recubrimientos hechos en presencia del campo magneacutetico disminuye con
respecto a aquellos realizados en ausencia del mismo
40 45 50 55 600
4000
8000
12000
16000
20000
17min SC
17min CM
12 min CM
12 min SC
7min CM
Inte
nsid
ad
(U
A)
2 (grados)
60degC-7min SC
60degC-12min SC
60degC-17min SC
60degC-7min CM
60degC-12min CM
60degC-17min CM
Ni
7min SC
(111) (200)
54
La existencia de los poros en el recubrimiento propicia un par galvaacutenico Figura 38 entre
el niquelado electroliacutetico y el acero 1018 ya que este uacuteltimo es maacutes electronegativo por
consiguiente maacutes propenso a la corrosioacuten Tambieacuten estaacute el efecto de las diferencias de aacutereas entre
aacutenodo (acero) y caacutetodo (niquelado) siendo en este caso el caacutetodo quien posee mayor aacuterea de
exposicioacuten al ambiente es el aacutenodo quien se corroeraacute maacutes faacutecil y raacutepidamente
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni
37 Microscopia Electroacutenica de Barrido
Las Figuras 39 310 y 311 muestran las imaacutegenes obtenidas en el MEB de los recubrimientos de
Ni a 60degC 7min 12min y 17min respectivamente Se aprecia una morfologiacutea maacutes uniforme con la
presencia de campo magneacutetico y las aglomeraciones de partiacuteculas metaacutelicas son mucho maacutes
grandes que sus homoacutelogos sin influencia del campo
55
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y sin influencia
de campo magneacutetico
56
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min con y sin
influencia de campo magneacutetico
57
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min con y sin
influencia de campo magneacutetico
58
Conclusiones
A partir de los resultados experimentales obtenidos en el presente trabajo se puede concluir lo
siguiente
La eficiencia de electrodepositacioacuten es funcioacuten de la pureza del aacutenodo y de la corriente
aprovechada por la reaccioacuten de reduccioacuten de hidroacutegeno
El aumento en el tiempo de electrodepositacioacuten conduce a un aumento en la masa de niacutequel
electrodepositada esto es vaacutelido para la condicioacuten sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico
sin embargo esto no garantiza la disminucioacuten de Vcorr
Sin campo magneacutetico los resultados obtenidos a 30degC y 60degC muestran que la Vcorr
disminuye conforme el tiempo de electrodepoacutesito de niacutequel aumenta Tambieacuten en ausencia del
campo las Vcorr obtenidas a 30degC son menores comparadas con las Vcorr a 60degC a excepcioacuten de
17 min
Sin campo magneacutetico se observa que la degradacioacuten del niquelado estaacute controlada por una
cineacutetica anoacutedica lo cual es vaacutelido para 30degC y para 60degC con excepcioacuten de 30degC y 17 min donde
la cineacutetica que controla es catoacutedica Asimismo a 30degC con campo magneacutetico se observa que la
cineacutetica que controla el sistema es la catoacutedica lo cual sugiere que la reaccioacuten de reduccioacuten de
oxiacutegeno ser manipulada por el campo magneacutetico
En presencia del campo magneacutetico se encontroacute que la resistencia de la solucioacuten disminuyoacute
tanto a 30degC como a 60degC debido a una fuerza adicional convectiva que provoca el campo
magneacutetico
La Vcorr es dependiente de la cantidad de masa depositada pero tambieacuten del ordenamiento
cristalino que los aacutetomos de niacutequel adquieren al momento del electrodepoacutesito
En presencia del campo magneacutetico las micrografiacuteas MEB revelan superficies con menos
rugosidad respecto a las muestras sin campo magneacutetico
A 60degC hay poca o nula contribucioacuten del campo magneacutetico mientras que a 30degC si hay una
contribucioacuten del campo pero es negativa respecto a la Vcorr
59
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62
Anexo 1 Caacutelculos
1-A Caacutelculo de eficiencia
En la praacutectica la corriente suministrada a un sistema no es aprovechada al 100 pues hay
peacuterdidas de corriente por diversos motivos entre otros
a) Desviacioacuten de corriente por caminos secundarios
b) Impurezas de las soluciones (las cuales dan reacciones secundarias)
c) Resistencia eleacutectrica propia del bantildeo electroliacutetico
d) Peacuterdidas por transformacioacuten de energiacutea eleacutectrica a energiacutea caloriacutefica
e) Fenoacutemenos de polarizacioacuten
Entonces se puede decir que
Eficiencia en corriente = 119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119905119890oacute119903119894119888119886
119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119904119906119898119894119899119894119904119905119903119886119889119886 119903119890119886119897x100
1-B Caacutelculo de Espesor
El meacutetodo maacutes satisfactorio para medir el espesor promedio de una capa es disolverla y determinar
el peso de la misma a partir de una muestra cuya aacuterea se conozca en el caso de este estudio se
pesaron las placas antes y despueacutes del electrodepoacutesito para determinar la masa depositada El
espesor se calcula asiacute a partir del peso y del aacuterea y de la densidad o peso especiacutefico del depoacutesito
utilizando la foacutermula
T (espesor) = 119862119882 (119901119890119904119900)
119860(aacute119903119890119886)times119863(119901119890119904119900 119890119904119901119890119888iacute119891119894119888119900)
En donde C es una constante que depende simplemente de las unidades utilizadas En
unidades meacutetricas la ecuacioacuten se transforma en
T(mm) = 10119882(119892119903)
119860(1198881198982)times119863
63
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 7min
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 12min
-0000006 -0000003 0000000 0000003
-040
-038
-036
-034
-032
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
-0000004 -0000002 0000000 0000002
-035
-034
-033
-032
-031
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
64
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 17min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 7min
-00000006 -00000003 00000000 00000003 00000006
-026
-024
-022
-020
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
-00000027 -00000018 -00000009 00000000 00000009 00000018
-028
-024
-020
-016
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
65
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 12min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 17min
-0000004 -0000002 0000000 0000002 0000004
-038
-036
-034
-032
-030
-028
-026
-024
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
-0000006 -0000003 0000000 0000003 0000006 0000009
-032
-031
-030
-029
-028
-027
-026
-025
-024
-023
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
vii
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X 31
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP) 32
1661 Procedimiento experimental 32
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE) 33
1671 Representaciones graacuteficas 34
1672 Ecuacioacuten de Brug 35
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental 36
21 Preparacioacuten superficial de muestras 36
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos 36
23 Preparacioacuten del electrolito 37
24 Obtencioacuten de recubrimientos 38
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos 39
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal 40
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica 40
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos 40
261 Dureza 40
262 Rugosidad 40
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido 41
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 41
265 Difraccioacuten de rayos X 42
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten 43
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos 43
311 Caacutelculo de masa depositada 43
312 Eficiencia en corriente 44
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal 45
viii
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica 48
34 Dureza Rugosidad y Espesor 50
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 51
36 Difraccioacuten de Rayos X 52
Conclusiones 58
Bibliografiacutea 59
Anexo 1 Caacutelculos 62
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten 63
ix
Iacutendice de Tablas
Tabla 11 Paraacutemetros termodinaacutemicos de las celdas electroquiacutemicas 11
Tabla 12 Serie galvaacutenica 12
Tabla 13 Ejemplos de electrolitos y no electrolitos 15
Tabla 21 Composicioacuten del bantildeo Watts 37
Tabla 22 Condiciones de operacioacuten 38
Tabla 31 Masa depositada en cada centiacutemetro cuadrado 44
Tabla 32 Valores de eficiencia 45
Tabla 33 Valores de icorr y Vcorr con y sin campo magneacutetico 46
Tabla 34 Valores de potencial de corrosioacuten 48
Tabla 35 Valores de dureza rugosidad y espesor para recubrimientos de Ni con y sin
influencia de campo magneacutetico
51
Tabla 36 Valores de capacitancia para recubrimientos de Ni con y sin presencia de
campo magneacutetico
51
x
Iacutendice de Figuras
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver 5
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes
(izq) Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico
aplicado
6
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas
(izq) Con campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
6
Figura 14 El campo magneacutetico 7
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca 9
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda 10
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten 11
Figura 18 Celda galvaacutenica 13
Figura 19 Celda electroliacutetica 14
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de
sacrificio de magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
18
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre 20
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante ensayo de dureza
27
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro 27
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y de
fotones por la interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
28
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB 29
Figura 116 Funcionamiento de un MFA 30
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X 31
Figura 118 Circuito equivalente simple 33
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist 34
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b)
Moacutedulo de impedancia
35
Figura 21 Decapado de muestras 36
xi
Figura 22 Determinacioacuten de los polos 37
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico 37
Figura 24 Rondelas de niacutequel 38
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con
imanes de Neodimio
39
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el
electrodo de referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo
(ET)
39
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad 41
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB 41
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni 43
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido 44
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal 46
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC 7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC 12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC 17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia
de campo magneacutetico
53
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni 54
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y
sin influencia de campo magneacutetico
55
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min
con y sin influencia de campo magneacutetico
56
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min
con y sin influencia de campo magneacutetico
57
xii
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de
electrodeposicioacuten
47
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min 49
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min 49
Graacutefica 34 EIE de 60degC a 17min 50
xiii
Nomenclatura
Ni ndash Niacutequel
T ndash Tesla
M ndash Metal
A ndash Ampere
Ec ndash Ecuacioacuten
ER ndash Electrodo de Referencia
ET ndash Electrodo de Trabajo
EA ndash Electrodo Auxiliar
Ecorr ndash Potencial de corrosioacuten
Vcorr ndash Velocidad de corrosioacuten
Rp ndash Resistencia a la polarizacioacuten
Rtc ndash Resistencia a la transferencia de carga
Rs ndash Resistencia del electrolito o de la solucioacuten
EIE ndash Espectroscopiacutea de impedancia electroquiacutemica
MFA ndash Microscopiacutea de fuerza atoacutemica
DRX ndash Difraccioacuten de rayos X
MEB ndash Microscopiacutea electroacutenica de barrido
SC ndash Sin campo magneacutetico
CM ndash Con campo magneacutetico
HV ndash Dureza Vickers
xiv
Resumen
En este estudio se obtuvieron recubrimientos de niacutequel con y sin presencia de campo magneacutetico a
60degC a 7 12 y 17 min sobre sustratos de acero al carbono AISI 1018 a partir de una solucioacuten tipo
Watts claacutesica Las propiedades de los recubrimientos se estudiaron mediante DRX MEB MFA
duroacutemetro y rugosiacutemetro tambieacuten se estudioacute el comportamiento electroquiacutemico de las peliacuteculas
mediante RP y EIE y ademaacutes se realizaron caacutelculos de capacitancia icorr velocidad de corrosioacuten
y espesor En general el campo magneacutetico tiene una influencia negativa en las propiedades fiacutesicas
y quiacutemicas de un electrodeposito de Ni en acero AISI 1018 Los detalles son discutidos en esta
investigacioacuten
Abstract
In this study nickel coatings were obtained with and without the presence of magnetic field at 60degC
for 7 12 and 17 min on substrates of AISI 1018 carbon steel from a classical type Watts solution
The properties of the coatings were studied by XRD SEM AFM hardness tester and roughness
tester the electrochemical behavior of the films was also studied through RP and EIE and also
capacitance calculations icorr corrosion rate and thickness were made In general the magnetic
field has a negative influence on the physical and chemical properties of an electrodeposited Ni
steel AISI 1018 The details are discussed in this research
1
Introduccioacuten
En los Reactores de agua en ebullicioacuten (BWR por sus siglas en ingleacutes) la radioacutelisis del agua
produce un medio altamente oxidante [1] que genera que los materiales estructurales presenten un
elevado potencial electroquiacutemico de corrosioacuten (PEC) cuando estaacuten en contacto con el agua en el
BWR Este PEC incrementa la propensioacuten a experimentar agrietamiento por corrosioacuten bajo
esfuerzos (SCC) [2] y agrietamiento por corrosioacuten intergranular bajo esfuerzos (IGSCC) [3] en los
materiales de los componentes internos tales como acero inoxidable aleaciones base niacutequel y las
zonas afectadas por el calor (HAZ) propias de un proceso de soldadura Ademaacutes en las condiciones
de alta temperatura del reactor BWR se forma una capa de oacutexido que puede ser hematita en
condiciones de alto oxiacutegeno o magnetita en condiciones de bajo oxiacutegeno Este segundo oacutexido es
un imaacuten por naturaleza por lo que este estudio contribuiraacute ademaacutes a discernir y en dado caso a
explicar si la presencia de un oacutexido magneacutetico o de otro que no lo sea tiene una influencia en la
deposicioacuten de recubrimientos alternos para mitigar el agrietamiento por corrosioacuten bajo esfuerzos
(SCC por sus siglas en ingleacutes) de los materiales de componentes internos de reactores BWR
El electrodepoacutesito de niacutequel sobre una superficie metaacutelica se hace con el fin de proteger las
piezas de la corrosioacuten pues posee buenas propiedades anticorrosivas y buena resistencia al
desgaste Los recubrimientos de niacutequel se utilizan en numerosos sectores industriales electroacutenica
componentes eleacutectricos petroquiacutemica automocioacuten etc [4] Por ello el presente trabajo muestra la
utilizacioacuten de un campo magneacutetico de 15 a 34 T (Valor fluctuante) para la obtencioacuten de
recubrimientos de Ni en acero un acero bajo carbono especiacuteficamente el AISI 1018 Las
propiedades de dichos recubrimientos se evaluaron mediante teacutecnicas electroquiacutemicas como Rp y
EIE para determinar las velocidades de corrosioacuten de las peliacuteculas De igual manera se estudiaron
los recubrimientos mediante DRX MEB y MFA Para finalmente establecer la influencia positiva
o negativa de dicho campo magneacutetico en los procesos de deposicioacuten electroliacutetica
2
Justificacioacuten
Para mitigar el SCC de los componentes internos de los BWR [5] en la actualidad se antildeaden sales
como precursores metaacutelicos por ejemplo Na2Pt(OH)6 que se transforman en partiacuteculas metaacutelicas
al entrar en contacto con el acero debido a la diferencia de potencial entre Fe y Pt [6] adhirieacutendose
al acero estructural por medio de procesos de precipitacioacuten Estas partiacuteculas catalizan las reacciones
de recombinacioacuten de especies oxidantes disminuyendo los procesos de corrosioacuten del acero sin
embargo los catalizadores basados en Pt tienen el inconveniente de costo elevado [7]
En este sentido una posible opcioacuten es la electrodeposicioacuten de un metal sobre la superficie
que se interesa proteger pero la efectividad de estos depoacutesitos depende de la preparacioacuten de la
superficie y de aspectos teacutecnicos ya estandarizados en normativas por ejemplo la Norma ISO
1458-1974 ldquoMetallic coatingsrdquo Si bien son de los mejores meacutetodos para proteger un metal auacuten
presentan diversas anomaliacuteas que generan superficies porosas falta de cohesioacuten y peliacuteculas
amorfas lo que conlleva a altos costos de produccioacuten debido a que se debe repetir el proceso y
contaminacioacuten ambiental a causa de los reactivos quiacutemicos usados para limpiar nuevamente la
superficie a recubrir
Debido a lo anterior este estudio tiene por objeto determinar si el campo magneacutetico influye
o no en las propiedades de adherencia rugosidad y eficiencia de un electrodepoacutesito de niacutequel
Siendo los mayores beneficiarios con este trabajo investigativo el ambiente la industria
galvanoplaacutestica y la comunidad electroquiacutemica
3
Objetivo General
Evaluar el efecto de un campo magneacutetico sobre las propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero bajo carbono especiacuteficamente en un acero AISI 1018
Objetivos Especiacuteficos
1- Elaborar electrodepoacutesitos de niacutequel en acero 1018 con y sin presencia de campo magneacutetico
2- Evaluar los electrodepoacutesitos mediante corriente directa y alterna
3- Analizar los electrodepoacutesitos por medio de pruebas fiacutesicas y quiacutemicas
4- Determinar el efecto de un campo magneacutetico en un electrodepoacutesito de niacutequel
4
Hipoacutetesis
El campo magneacutetico provoca una orientacioacuten en los iones yo moleacuteculas del electrolito destinado
a la electrodeposicioacuten con ello se modifican ciertas propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero 1018
5
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico
11 Antecedentes
El efecto de un campo magneacutetico sobre la orientacioacuten de las moleacuteculas durante un proceso de
formacioacuten de un producto ha sido muy poco estudiado En la industria se encuentran algunos casos
sin que haya reportes formales A continuacioacuten se discutiraacuten algunos de ellos
El ldquoFuel Energy Saverrdquo (Figura 11) es un producto de la compantildeiacutea mexicana ldquoEnergy
Saverrdquo se trata de un inductor de resonancia magneacutetica de alta potencia que genera frecuencias
especiacuteficas la cual fractura las cadenas de hidrocarburos alineando y haciendo todas las moleacuteculas
maacutes accesibles al oxiacutegeno lo que se traduce en una mejor combustioacuten con el consiguiente ahorro
de combustible y reduccioacuten de contaminacioacuten [8] Es aplicable para cualquier tipo de combustible
(gas natural gas LP dieacutesel combustoacuteleo gasoacuteleo) y puede ser usado en todo equipo de iacutendole
industrial (hornos calderas calentadores secadores estufas)
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver
Algunas empresas del ramo automotriz (por ejemplo Mercedes Benz) estaacuten empleando el
principio del FES para que por medio un campo magneacutetico se orienten las moleacuteculas del
combustible y de oxiacutegeno antes de que eacutestas sean consumidas La explicacioacuten a este fenoacutemeno fue
dada por Kita amp Kulish [9] que consiste en lo siguiente el combustible se consumiraacute a medida que
haya oxiacutegeno disponible Si en lugar de que el oxiacutegeno se alimente de manera ldquodesordenadardquo eacuteste
pudiera ser orientado antes de entrar a la caacutemara de combustioacuten se lograriacutea un mejor consumo de
combustible-oxiacutegeno lo cual se traduce en mayor potencia en el motor y un mejor
aprovechamiento del combustible es decir habriacutea menor cantidad de contaminantes (NOx y CO2)
en el escape
6
Otro ejemplo del uso de campos magneacuteticos se puede encontrar en la formacioacuten de
calcaacutereos en intercambiadores de calor La industria que sufre de formacioacuten de dichos productos
tambieacuten ha encontrado beneficios con el uso de un campo magneacutetico colocado en el depoacutesito de
agua y se observa que los productos calcaacutereos se desvanecen tal como se aprecia en la Figura 12
La explicacioacuten a este efecto se atribuye nuevamente a la reorientacioacuten de las moleacuteculas dando como
consecuencia una estructura amorfa en lugar de una cristalina caracteriacutestica de los calcaacutereos [10]
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes (izq)
Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico aplicado
Por el lado de las investigaciones cientiacuteficas se tiene el anaacutelisis del efecto de un campo
magneacutetico de 12 T en la electrodeposicioacuten y estructura de las aleaciones cobalto-tungsteno con
ello Zielinski [11] pudo establecer que la aplicacioacuten del campo magneacutetico cambioacute la composicioacuten
quiacutemica y la morfologiacutea de las aleaciones Co-W
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas (izq) Con
campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
7
De la misma manera Ferreira y Colnago [12] estudiaron la influencia del campo magneacutetico
de una resonancia magneacutetica nuclear (RMN) durante la reaccioacuten electroliacutetica del cobre Sus
resultados fueron exitosos pues la reaccioacuten en presencia de un campo magneacutetico de 023 T tuvo
un rendimiento del doble que la de la reaccioacuten en ausencia de dicho campo
Finalmente pero no menos importantes Calivar [13] con su creacioacuten de modelos de
conveccioacuten magneacutetica en electrodeposicioacuten de peliacuteculas delgadas de cobre y tambieacuten Ispas [14]
con su estudio del efecto de un campo magneacutetico de 05 T en la electrodeposicioacuten de la aleacioacuten
Ni-Fe Ambos llegaron a la misma conclusioacuten un campo magneacutetico provoca una conveccioacuten en el
fluido el cual provoca una contribucioacuten adicional de masa-transporte
12 Generalidades
121 El campo magneacutetico
Se trata de un campo que ejerce fuerzas (denominadas magneacuteticas) sobre los materiales Es una
magnitud vectorial pero no produce ninguacuten efecto sobre cargas en reposo (como siacute lo hace el
campo eleacutectrico doacutende las acelera a traveacutes de la fuerza eleacutectrica) Sin embargo el campo magneacutetico
siacute tiene influencia sobre cargas eleacutectricas en movimiento [15]
Por ejemplo en el estado soacutelido si una carga en movimiento atraviesa un campo magneacutetico
la misma sufre la accioacuten de una fuerza magneacutetica que no modifica la velocidad pero siacute la
trayectoria Cabe mencionar que en el estado liacutequido o en el estado gaseoso el efecto del campo
magneacutetico no estaacute bien definido
Figura 14 El campo magneacutetico
8
La unidad de campo magneacutetico en el Sistema Internacional es el tesla (T) Un tesla se define
como el campo magneacutetico que ejerce una fuerza de 1 N (newton) sobre una carga de 1 C (coulomb)
que se mueve a velocidad de 1 ms dentro del campo
122 Definicioacuten de corrosioacuten
Se denomina corrosioacuten al ataque destructivo de un material generalmente metaacutelico por reaccioacuten
quiacutemica o electroquiacutemica con su medio ambiente (atmoacutesfera suelo agua etc)
La reaccioacuten baacutesica de corrosioacuten es
M Mn+ + ne-
De acuerdo con ello tambieacuten es posible definir la corrosioacuten desde un punto de vista maacutes
electroquiacutemico como el traacutensito de un metal de su forma elemental a su forma ioacutenica o combinada
con una respectiva cesioacuten de electrones [16] Dicho de otra manera el metal a traveacutes de la
corrosioacuten retorna a su forma combinada formando oacutexidos sulfuros hidroacutexidos etc Pues asiacute es
como los metales se encuentran habitualmente en la naturaleza por tratarse de formas
termodinaacutemicamente maacutes estables
El proceso de corrosioacuten es natural y espontaacuteneo y cuanto mayor es la energiacutea gastada en la
obtencioacuten del metal a partir del mineral tanto maacutes es la tendencia del metal a regresar a su forma
basal es decir mucho maacutes favorecida termodinaacutemicamente estaacute la reaccioacuten de oxidacioacuten
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten
Tradicionalmente se establecen dos procesos baacutesicos de ataques corrosivos atendiendo al medio
en el que se producen
Corrosioacuten seca
Corrosioacuten huacutemeda
1231 Corrosioacuten seca
Tiene lugar cuando el material se encuentra sometido a la accioacuten de gases principalmente a
temperaturas elevadas por lo que no se tiene un electrolito condensado Este tipo de corrosioacuten es
la que se produce en calderas sobrecalentadores reactores etc en la parte que estaacute en contacto
con los productos de combustioacuten
9
En la corrosioacuten seca los oacutexidos que se forman son de caraacutecter ioacutenico (cationes metaacutelicos y
aniones de oacutexido regularmente distribuidos) La estructura cristalina formada presenta
normalmente defectos reticulares (deficiencias ioacutenicas) a traveacutes de los cuales se produce la
difusioacuten de iones
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca
1232 Corrosioacuten huacutemeda
Tiene lugar cuando el material se encuentra en medios acuosos (Figura 16) Se produce
normalmente a temperatura ambiente o no muy elevada Es la maacutes extendida por cuanto afecta a
un sinfiacuten de elementos en los que el material es usado en tanques tuberiacuteas intercambiadores
precalentadores carcasas estructuras buques etc
Todos los procesos de corrosioacuten involucran transferencia de carga (iones y electrones) en
particular en el caso de corrosioacuten huacutemeda eacutesta se da a traveacutes de soluciones acuosas (electrolitos)
las cuales son eleacutectricamente conductoras En general el proceso requiere de tres etapas
1) Oxidacioacuten Los aacutetomos metaacutelicos aumentan su valencia al ceder electrones convirtieacutendose
en iones positivos los cuales pasan al electrolito
2) Transporte de carga Los electrones son transferidos al caacutetodo
3) Reduccioacuten Reaccioacuten donde se consumen los electrones generados en la oxidacioacuten
Este tipo de corrosioacuten es netamente electroquiacutemico ya que es un proceso en el que se llevan
a cabo reacciones de oxidacioacuten y de reduccioacuten de ahiacute que se conozca coacutemo proceso REDOX Cabe
mencionar que se puede favorecer una reaccioacuten u otra en caso de inclinarse por la oxidacioacuten
10
entonces se da la corrosioacuten y si es la reduccioacuten se puede proteger al metal por ejemplo con
electrodepoacutesitos
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda
124 Tipos de ataque por corrosioacuten
Es importante sentildealar que la corrosioacuten huacutemeda presenta dos tipos de ataque corrosioacuten uniforme y
corrosioacuten localizada
a) Corrosioacuten uniforme homogeacutenea o generalizada El ataque se extiende de forma
homogeacutenea sobre toda la superficie metaacutelica y por tanto la peacuterdida de material es
aproximadamente la misma en todos los puntos A este tipo de ataque se le identifica por
crecimiento 2D debido a que se desarrolla preferentemente a lo largo de la superficie Por
consiguiente es relativamente faacutecil estimar la vida uacutetil de los materiales metaacutelicos que lo
sufren
b) Corrosioacuten localizada El ataque no se distribuye de forma homogeacutenea localizaacutendose por
el contrario en determinadas zonas de la superficie metaacutelica A este tipo de ataque se le
conoce por crecimiento 3D debido a que se desarrolla de manera local dando preferencia a
la profundidad maacutes que a la superficie Dentro de este tipo de corrosioacuten existe a su vez
otra clasificacioacuten que se menciona a continuacioacuten
11
a Corrosioacuten por picadura
b Corrosioacuten por hendidura
c Corrosioacuten galvaacutenica
d Corrosioacuten intergranular
e Corrosioacuten bajo tensioacuten
f Corrosioacuten cavitacioacuten
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten
125 Celdas electroquiacutemicas
En corrosioacuten una celda es un dispositivo en el cual se producen reacciones quiacutemicas de oxidacioacuten
y reduccioacuten El aparato se integra de las siguientes partes sustancia que contiene iones (electrolito)
dos electrodos (caacutetodo y aacutenodo) y una conexioacuten eleacutectrica entre ambos electrodos
Existen dos tipos de celdas las electroliacuteticas que requieren un voltaje externo (fuente de
poder) y las electroquiacutemicas o galvaacutenicas que solamente necesitan un instrumento para registrar
voltaje Por lo cual se dice que las primeras son no espontaacuteneas y las segundas espontaacuteneas
Termodinaacutemicamente una reaccioacuten espontaacutenea presenta una energiacutea libre de Gibbs negativa y la
no espontaacutenea positiva tal como se aprecia en la Tabla 11
12
1251 Celda galvaacutenica
Una celda galvaacutenica (Figura 18) es aquella en la cual la energiacutea quiacutemica es convertida en energiacutea
eleacutectrica por medio de una reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea Esto se debe a que un metal es maacutes activo
y otro maacutes noble aacutenodo y caacutetodo respectivamente seguacuten la serie galvaacutenica por lo que al ser
conectados eleacutectricamente producen un flujo de electrones desde el caacutetodo al aacutenodo Dicho flujo
genera un potencial eleacutectrico que puede ser medido experimentalmente
Los requisitos para que se produzca un proceso de corrosioacuten en una pila galvaacutenica son los
siguientes
1 Dos superficies con distinto potencial electroacutedico
a Una de ellas que constituye al aacutenodo de la reaccioacuten al ceder electrones sufriraacute la
corrosioacuten Es decir aquiacute se lleva a cabo la reaccioacuten de oxidacioacuten Es el polo
negativo
Mdeg Mne- + ne-
b La otra que constituye el caacutetodo ganaraacute los electrones cedidos por el aacutenodo En
esta zona ocurriraacute la reaccioacuten de reduccioacuten Es el polo positivo
Mne- + ne- Mdeg
13
2 Un electrolito conductor ioacutenico que contiene los elementos caracteriacutesticos del medio
corrosivo Es justo aquiacute en el seno de la solucioacuten donde ocurre el transporte de materia
3 Una conexioacuten eleacutectricamente conductora entre el aacutenodo y el caacutetodo para que sea posible
el transporte de carga
Figura 18 Celda galvaacutenica
1252 Celda electroliacutetica
Las celdas electroliacuteticas no son espontaacuteneas por lo que debe aplicarse externamente un potencial
eleacutectrico para que funcionen Al proveer dicha energiacutea se fuerza a que una corriente eleacutectrica pase
por la celda con el fin de generar reacciones quiacutemicas de oacutexido-reduccioacuten en la superficie de los
electrodos de dicha celda Uno de los procesos maacutes conocidos es el electrodepoacutesito de metales
como cobre niacutequel o zinc Es importante puntualizar que aquiacute el aacutenodo estaraacute cargado
positivamente y el caacutetodo negativamente contrario a lo sucedido en las celdas galvaacutenicas
Las partes que conforman a la celda electroliacutetica son las siguientes
1 Electrolito Al igual que en las celdas galvaacutenicas se necesita de un conductor ioacutenico
2 Aacutenodo En este tipo de celdas el aacutenodo posee el polo positivo y aquiacute se lleva a cabo la
oxidacioacuten de la especie electroquiacutemica
3 Caacutetodo Eacuteste es el polo negativo y en eacutel se produce la reduccioacuten de la especie
electroquiacutemica
14
4 Fuente de energiacutea Es quien aplica la energiacutea necesaria para poder invertir el sentido
natural de la corriente dando lugar a una reaccioacuten quiacutemica opuesta a la que se produce
espontaacuteneamente en la pila
Figura 19 Celda electroliacutetica
13 Principios Electroquiacutemicos
131 Electrolitos
Todos los solutos que se disuelven en agua se agrupan en dos categoriacuteas electrolitos y no
electrolitos Un electrolito es una sustancia que cuando se disuelve en agua forma una disolucioacuten
capaz de conducir la electricidad Un no electrolito por lo tanto no conduce la corriente eleacutectrica
cuando se disuelve en agua
1311 Tipos de electrolitos
Los electrolitos se clasifican en fuertes y deacutebiles Los primeros son sustancias que estaacuten casi
completamente disociadas en la solucioacuten e incluyen soacutelidos ioacutenicos y aacutecidos fuertes Los uacuteltimos
poseen enlaces tan fuertes que muy difiacutecilmente se ionizan en solucioacuten permaneciendo la mayor
parte en forma de moleacuteculas las cuales no tienen la capacidad de transportar carga eleacutectrica como
lo hacen los iones Es importante mencionar que los electrolitos por buenos conductores de la
electricidad que puedan ser siempre tendraacuten menor capacidad para conducir la electricidad que los
materiales soacutelidos [17]
15
132 Ley de Ohm
Una de las maacutes importantes caracteriacutesticas eleacutectricas de un material soacutelido es la facilidad con que
transmite una corriente eleacutectrica La ley de Ohm relaciona la corriente (I) o sea el paso de carga
por unidad de tiempo con el voltaje aplicado (V) de la manera siguiente
V = IR
Donde R es la resistencia del material a traveacutes del cual pasa la corriente Las unidades de
V I y R son respectivamente voltios (V) amperios (A) y ohmios (Ω)
133 Leyes de Faraday
En electroquiacutemica es de suma importancia poder determinar la velocidad a la que ocurren las
reacciones de oacutexido-reduccioacuten cuando una corriente atraviesa una interfase soacutelido-electrolito pues
esto trae como consecuencia un transporte de materia resultado de la peacuterdida (oxidacioacuten) o
ganancia (reduccioacuten) de masa en el electrodo de trabajo
Cabe mencionar que las caracteriacutesticas superficiales del electrodo y las interacciones del
electrolito en dicha superficie son las que determinan la velocidad de reaccioacuten de un proceso
electroquiacutemico [18] Sin embargo hay tantos factores que pueden afectar directamente la velocidad
de reaccioacuten que por ello las leyes de Faraday solo son utilizables cuando el proceso controlador es
la transferencia de carga
Con las investigaciones del fiacutesico britaacutenico Michael Faraday (1791-1867) se descubrieron
las relaciones cuantitativas entre la cantidad de electricidad que pasa a traveacutes de una solucioacuten y la
cantidad de materia separada o precipitada en los electrodos Es decir con dichas expresiones es
posible calcular el transporte de materia en la interfase soacutelido-electrolito [16]
Primera Ley La masa de un ion liberado o depositado en un electrodo es proporcional a
la cantidad de electricidad que pase a traveacutes de la solucioacuten
Ec 11
16
m = 119868119905119875119860
119899119865
Donde PA es el peso atoacutemico la I la corriente en Amperes t el tiempo que pasa dicha carga
en segundos n el nuacutemero de equivalentes involucrados y F la constante de Faraday
Segunda Ley Las cantidades de sustancias liberadas o depositadas por una cantidad de
electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes Aplica cuando una misma
cantidad de electricidad atraviesa distintos electrolitos es decir cuando el proceso se lleva a cabo
en serie
1198981
1198901=
1198982
1198902
Donde m1 y m2 son las masas depositadas y e1 y e2 son los equivalentes quiacutemicos El
equivalente quiacutemico es la relacioacuten entre el peso atoacutemico y el nuacutemero de oxidacioacuten del compuesto
en cuestioacuten
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary
La ecuacioacuten de Stern-Geary establece la relacioacuten entre la densidad de corriente de corrosioacuten (icorr)
es decir la velocidad de corrosioacuten con la resistencia a la polarizacioacuten [19]
119894119888119900119903119903 = 119861
119877119875
119861 = 119887119886119887119888
2303 (119887119886 + 119887119888)
Donde ba y bc son las pendientes de Tafel anoacutedica y catoacutedica respectivamente
La constante B en la ecuacioacuten sirve para presentar una relacioacuten existente entre las
pendientes de Tafel Para que la ecuacioacuten de Stern-Geary sea aplicable es imperativo que exista
comportamiento tafeliano en el sistema electroquiacutemico
Ec 12
Ec 13
Ec 14
Ec 15
17
14 Control de la corrosioacuten
Baacutesicamente todos los meacutetodos que existen para lograr controlar la corrosioacuten de los materiales
metaacutelicos son intentos para interferir con el mecanismo de corrosioacuten de tal manera que se pueda
hacer que eacuteste sea lo maacutes ineficiente posible Dado que para que exista un proceso de corrosioacuten
debe formarse una pila o celda de corrosioacuten ademaacutes de una diferencia de potencial entre los
electrodos o zonas anoacutedicas y catoacutedicas la eliminacioacuten de alguno de los componentes esenciales
de la mencionada pila podriacutea llegar a detener el proceso [20]
En la praacutectica existen tres maneras de lograr lo anterior y enseguida se explicaraacute en queacute
consiste cada una Sin embargo es muy importante sentildealar que ninguacuten meacutetodo elimina la
corrosioacuten sino que todos disminuyen la velocidad de la reaccioacuten de oxidacioacuten ya que el metal
siempre buscaraacute la condicioacuten de miacutenima energiacutea que es la formacioacuten de oacutexidos e hidroacutexidos
141 Proteccioacuten catoacutedica
Se debe recordar que toda estructura propensa a corroerse presenta zonas catoacutedicas y anoacutedicas
siendo estas uacuteltimas aquellas aacutereas donde se lleva a cabo la corrosioacuten Pero si todas las aacutereas
anoacutedicas se pudieran convertir en catoacutedicas la estructura completa funcionariacutea como caacutetodo y la
corrosioacuten se disminuiriacutea considerablemente [21] Ese es el mecanismo de accioacuten de la proteccioacuten
catoacutedica y se puede llevar a cabo de dos maneras tal como lo muestra la Figura 110
Por corriente impresa La proteccioacuten se logra aplicando una corriente externa a partir de
un rectificador que suministra corriente continua de bajo voltaje El terminal positivo de la
fuente de corriente se conecta a un aacutenodo auxiliar (grafito por ejemplo) localizado a una
determinada distancia de la estructura a proteger y el terminal negativo se conecta a la
estructura metaacutelica
Por aacutenodos de sacrificio El metal a proteger se conecta a otro metal menos noble seguacuten
la serie galvaacutenica que actuaraacute como aacutenodo en la celda de corrosioacuten En ese caso la
estructura actuaraacute como caacutetodo y quedaraacute protegida por el ldquosacrificiordquo del aacutenodo que se
corroeraacute
18
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de sacrificio de
magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
142 Inhibidores de corrosioacuten
Los inhibidores son sustancias orgaacutenicas o inorgaacutenicas que se agregan a la solucioacuten corrosiva con
el fin de disminuir su poder de ataque y asiacute reducir la velocidad de corrosioacuten Se puede decir que
un inhibidor es un calmante de la corrosioacuten pues como ya se mencionoacute con anterioridad ninguacuten
meacutetodo la elimina en su totalidad
El comportamiento de los inhibidores puede ser muchas veces peligroso ya que en funcioacuten
de la concentracioacuten pueden jugar tanto el papel de inhibidores como de estimuladores de la
corrosioacuten [21]
Los hay de dos tipos aunque a veces se utiliza una combinacioacuten de ambos
1) Inhibidores anoacutedicos Actuacutean formando un compuesto insoluble el cual precipita en los
lugares afectados por la peacuterdida de materia evitando la reaccioacuten anoacutedica y por lo tanto
inhibe la corrosioacuten Ejemplos hidroacutexido soacutedico carbonato silicato y borato de sodio
ciertos fosfatos cromato soacutedico nitrito y benzoato de sodio etc
2) Inhibidores catoacutedicos Actuacutean sobre toda la superficie formando una capa o peliacutecula de
alta resistencia eleacutectrica la cual funciona como una barrera para la corriente de corrosioacuten
Ejemplos sulfato de zinc sulfato de magnesio bicarbonato de calcio etc
143 Recubrimientos protectores
Los recubrimientos representan la primera liacutenea en la lucha contra la corrosioacuten Los recubrimientos
sea cual fuere su tipo no mejoran las caracteriacutesticas mecaacutenicas del elemento sin embargo
preservan su resistencia e integridad Sus objetivos pueden ser variados siendo el principal aislar
la estructura del medio agresivo con el que se encuentra en contacto (agua suelo y atmoacutesfera por
lo general) aunque tambieacuten cumplen en ocasiones fines cosmeacuteticos
19
En general se emplean bajo condiciones muy amplias como puede ser exposicioacuten
atmosfeacuterica inmersioacuten en agua estructuras enterradas elementos sometidos a quiacutemicos etc Los
recubrimientos representan la uacuteltima etapa de los procesos de fabricacioacuten de cualquier pieza
sistema o equipo siendo normalmente aplicados antes del ensamble [21] Existe por lo tanto una
amplia gama de materiales que pueden ser utilizados como recubrimientos de los metales
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos
Orgaacutenicos Los recubrimientos orgaacutenicos son poliacutemeros y resinas producidas en forma
natural o sinteacutetica generalmente formulados para aplicarse como liacutequidos que se secan o
endurecen como peliacuteculas delgadas en materiales del sustrato Por ejemplo las pinturas
Inorgaacutenicos Los recubrimientos inorgaacutenicos proporcionan acabados tersos y maacutes
duraderos los maacutes usados son el vidrio y los ceraacutemicos
Metaacutelicos Los recubrimientos metaacutelicos se aplican mediante capas finas que funcionen
como aacutenodos sacrificables que puedan ser corroiacutedos en lugar del metal subyacente Por
ejemplo Niquelado cromado galvanizado electroliacutetico inmersioacuten en caliente etc
15 Galvanoplastia
La galvanoplastia es una teacutecnica que proporciona un recubrimiento metaacutelico a una estructura que
deseamos proteger El elemento adherido modifica las propiedades superficiales del material sobre
el cual se depositan promoviendo caracteriacutesticas que son imposibles de obtener en el metal base
Es un meacutetodo que se fundamenta en la electroacutelisis para asiacute cubrir un metal base con un fina
capa de otro metal ya sea cobre niacutequel cromo oro plata con el fin de embellecerlo o impartirle
resistencia a la corrosioacuten
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten
La electrodeposicioacuten puede ser de un solo metal de capas de diferentes metales o de una aleacioacuten
(por ejemplo latoacuten) Los metales maacutes utilizados para electrodepoacutesito son en orden de importancia
zinc niacutequel estantildeo y cadmio [22] Tambieacuten es usual recubrir con oro plata y platino En el caso
de aleaciones es comuacuten la aplicacioacuten de Babbitts (aleaciones Pb-Sn) Es conveniente mencionar
que la mayoriacutea de los metales se pueden depositar por eacuteste procedimiento
20
En teacuterminos simples este proceso consiste en la inmersioacuten de la parte a recubrir en un
electrolito que contenga iones del metal a depositar para asiacute proceder al paso de una corriente
directa que permita el depoacutesito en la pieza (caacutetodo) donde los iones son repuestos por la accioacuten de
la propia corriente sobre el aacutenodo
Pero iquestcoacutemo sucede realmente el fenoacutemeno de la electrodeposicioacuten A continuacioacuten se
daraacute una explicacioacuten maacutes detallada sin embargo solo las reacciones en el caacutetodo seraacuten presentadas
ya que en general las reacciones en un aacutenodo soluble seraacuten las inversas de aquellas presentes en
el caacutetodo
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre
Suponga una solucioacuten de una sal metaacutelica tal como el sulfato de cobre (Figura 111) la sal
se disocia considerablemente formando cationes cargados positivamente y aniones cargados
negativamente como ya se ha mencionado anteriormente El agua presente se disocia un poco para
formar iones hidroacutegeno e hidroxilo Todo aacutecido sulfuacuterico presente se disocia tambieacuten en iones
hidroacutegeno y en iones ya sea HSO4- o ya sea SO4
-2 La mayor parte de estos iones estaacuten hidratados
o sea que se encuentran combinados con una o maacutes moleacuteculas de agua
Cuando se aplica un potencial a dos electrodos en una solucioacuten asiacute los cationes cargados
positivamente emigran hacia el caacutetodo y los aniones negativos se mueven hacia el aacutenodo En una
solucioacuten acidificada la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es relativamente alta y la de los iones
hidroxilo es muy baja En virtud de que los iones hidroacutegeno se mueven maacutes raacutepidamente que los
iones cobre la mayor parte de la corriente es llevada hacia el caacutetodo por los iones hidroacutegeno Sin
embargo es maacutes faacutecil descargar los iones cobre asiacute que praacutecticamente toda la corriente que se usa
en el caacutetodo es para depositar cobre
21
Es difiacutecil representar el proceso implicado en el depoacutesito real de un metal sobre el sustrato
El caacutetodo se encuentra cargado negativamente o sea tiene una concentracioacuten de electrones
relativamente alta los cuales siempre aprovechan la oportunidad de combinarse con iones cargados
positivamente para asiacute formar los aacutetomos metaacutelicos
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel
El niacutequel (Ni) es un elemento quiacutemico de nuacutemero atoacutemico 28 situado en el grupo 10 de la tabla
perioacutedica de los elementos Es un metal blanco plateado duro maleable y duacutectil que puede
presentar un intenso brillo
Como elemento aleante proporciona resistencia tenacidad y proteccioacuten contra la corrosioacuten
El uso principal del niacutequel como metal es en la electrodeposicioacuten de piezas ya que funge como
protector corrosivo y de desgaste ante otros materiales que suelen ser maacutes susceptibles
ambientalmente tal como el hierro o el acero ademaacutes de embellecer la superficie El niacutequel es un
metal muy poco activo y bajo casi todas las condiciones tiende a resistir manchas y oxidacioacuten [23]
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel
Normalmente los galvanizados de niacutequel se hacen a partir de soluciones aacutecidas variando en un
rango de pH de 15 a 60 Una excepcioacuten es el uso de un bantildeo alcalino amoniacal de niacutequel con un
pH cerca de 9 [22]
A pesar de las muchas foacutermulas de bantildeos de niacutequel casi todas ellas contienen tres componentes
esenciales
Sulfato de niacutequel Constituye la principal fuente de iones niacutequel ademaacutes de controlar los
liacutemites admisibles de densidad de corriente
Cloruro de niacutequel Suministra los iones cloruros necesarios para asegurar la corrosioacuten de
los aacutenodos de niacutequel Tambieacuten es una fuente secundaria de iones niacutequel
Aacutecido boacuterico Actuacutea como agente tampoacuten y para conservar la adhesioacuten del depoacutesito de
niacutequel
A continuacioacuten se enlistan las teacutecnicas principales que se utilizan en los depoacutesitos de niacutequel
[22] Cabe mencionar que las concentraciones exactas y las condiciones de operacioacuten pueden
modificarse pero los valores que se dan pueden servir de guiacutea
22
1 Niacutequel a bantildeo friacuteo diluido
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 09 120 16
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Fluoruro de amonio NH4F 057 65 87
2 Bantildeo caliente Tipo Watts
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 04 45 6
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
pH para operacioacuten a un alto pH 45-55 a un bajo pH 15-30
Temperatura 43deg C (110 degF)
Densidad de corriente 2-7 ampdm2 (20-65 ampft2)
3 Bantildeo de alto sulfato
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 05 70 9
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Sulfato de sodio Na2SO4 10 160 22
Aacutecido boacuterico H3BO3 025 M 15 2
pH 55
Temperatura 20-30 degC (68-86 degF)
Densidad de corriente 15-30 ampdm2 (14-28 ampft2)
4 Bantildeo brillante de niacutequel-cobalto
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
23
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 038 45 6
Sulfato de cobalto CoSO4 7H2O 011 15 2
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
Sulfato de amonio (NH4)2SO4 004 25 03
Formato de niacutequel Ni(COOH)2 067 50 67
Formaldehiacutedo HCHO (40) 25 03
pH 45
Temperatura 55 degC (131 degF)
Densidad de corriente 3 ampdm2 (28 ampft2)
1522 Condiciones de operacioacuten
El caraacutecter del depoacutesito depende de varios factores incluyendo la temperatura la densidad de
corriente el pH la distancia entre los electrodos y la agitacioacuten los cuales se ajustan para producir
recubrimientos gruesos o delgados mates o brillantes suaves o duros duacutectiles o fraacutegiles [22] Cabe
mencionar que los valores oacuteptimos para cada factor variacutean de acuerdo con el tipo del bantildeo por lo
que no es posible dar cifras determinadas En su lugar se indicaraacuten los efectos sobre el caraacutecter de
los depoacutesitos obtenidos
pH La eleccioacuten de pH es regida por el tipo de bantildeo y las propiedades que se desean en el
depoacutesito En general en bantildeos de niacutequel opaco un aumento en el pH especialmente arriba de 50
produce depoacutesitos maacutes duros probablemente como resultado de mayor precipitacioacuten
Reciacuteprocamente los depoacutesitos de bajo pH seraacuten probablemente suaves
Temperatura La ventaja de aplicar altas temperaturas depende de varios factores
incluyendo (1) maacutes elevada solubilidad del niacutequel u otras sales (2) mayor conductividad (3)
reducida polarizacioacuten en ambos electrodos y (4) aumento de eficiencia en el aacutenodo y caacutetodo
Aunque de igual manera se pueden presentar ciertas desventajas (1) aumento de la tendencia a la
precipitacioacuten de impurezas (2) la propensioacuten a coagular agentes abrillantadores (3) vaporizacioacuten
excesiva (4) produccioacuten de depoacutesitos pasivos y (5) menor potencia de depoacutesito
Densidad de corriente La densidad de corriente es dependiente de los dos factores
anteriores A temperatura ambiente especialmente en bantildeos diluidos se emplean densidades de
24
corriente de 5 a 20 Aft2 (05 a 2 Adm2) En bantildeos maacutes fuertes y calientes se pueden usar
densidades de corriente hasta de 60 Aft2 (6 Adm2)
Agitacioacuten El efecto de la agitacioacuten equivale a un aumento en concentracioacuten de niacutequel y a
una disminucioacuten de pH lo que permite densidades de corriente maacutes altas Una desventaja de la
agitacioacuten raacutepida en los bantildeos de niacutequel es que con el movimiento suben a la superficie las partiacuteculas
suspendidas lo que trae consigo un depoacutesito aacutespero
Distancia entre electrodos La elaboracioacuten de recubrimientos con espesor uniforme
depende tambieacuten de la propia disposicioacuten y espacio adecuado de las piezas de trabajo aacutenodo y
caacutetodo Por lo que entre maacutes cercana esteacute la superficie a recubrir del aacutenodo mayor seraacute el espesor
del depoacutesito obtenido
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel
Las propiedades fiacutesicas del niacutequel electrodepositado son de especial intereacutes porque hay una gran
variedad de propiedades el control de las cuales de las cuales crea aplicaciones especiales del
niacutequel por ejemplo en electroformacioacuten Las siguientes propiedades son para depoacutesitos opacos de
niacutequel [22]
Dureza Esta variacutea en los diferentes depoacutesitos de niacutequel cerca de 130 a 430 HB En el bantildeo
tipo Watts se obtuvo un miacutenimo de dureza a un pH de 3 obtenieacutendose depoacutesitos maacutes duros abajo
y arriba de este liacutemite Los depoacutesitos maacutes duros se obtienen con un alto pH
Resistencia a la tensioacuten En general la resistencia a la tensioacuten es casi paralela a la dureza
y va de 56 000 a 160 000 lbplg2 (3 900 a 11 000 kgcm2)
Ductilidad La ductilidad medida por elongacioacuten es casi inversamente proporcional a la
dureza y a la resistencia a la tensioacuten
Resistividad eleacutectrica La resistividad eleacutectrica del niacutequel depositado es influenciada por el
contenido de inclusiones como el oacutexido y el cobalto Se presenta un poco en un pH 3
Composicioacuten Los depoacutesitos de niacutequel contienen oxiacutegeno e hidroacutegeno probablemente
presentes como compuestos baacutesicos del niacutequel como Ni(OH)2 El cloruro puede estar presente en
los depoacutesitos de todos los bantildeos de cloruro Estas inclusiones indudablemente tienen influencia en
la dureza y resistencia a la tensioacuten
25
1524 Niquelado en diferentes metales base
Debido a que el niacutequel es el maacutes extensamente aplicado a numerosos metales base solo algunos
ciclos empleados seraacuten considerados en esta seccioacuten [22]
Niquelado en acero El niacutequel puede ser depositado directamente sobre acero o sobre una
capa delgada o gruesa de cobre Debido a numerosas pruebas de corrosioacuten y a lo demostrado por
la experiencia se sabe que las capas de cobre ejercen menos proteccioacuten que una densidad igual de
niacutequel por lo tanto la tendencia actual es eliminar el cobre
Niquelado en hierro vaciado La dificultad de galvanizar sobre hierro vaciado estaacute
indudablemente asociada con la presencia de carbono liberado o grafito en el hierro Si eacuteste
permanece parcialmente embebido el niacutequel no se deposita tan faacutecilmente sobre el carboacuten o
carburos como en los cristales de hierro Por ello se utiliza una capa de cobre ya que mejora la
adhesioacuten del niacutequel al hierro vaciado La limpieza catoacutedica en caacuteustico fundido es algunas veces
efectiva y la saturacioacuten en aacutecido fluorhiacutedrico puede ayudar Por buena que sea la adhesioacuten del
niacutequel al hierro vaciado no es tan buena como en el acero
Niquelado en cobre y latoacuten La praacutectica maacutes comuacuten es aplicar el niacutequel directamente al
cobre o latoacuten seguido por la acostumbrada capa de cromo Ha sido demostrado concluyentemente
que las capas de cromo aplicadas directamente al latoacuten dan menos proteccioacuten contra la corrosioacuten
que cuando se aplica primero una capa de niacutequel
Niquelado en zinc y vaciados con base de zinc Se ha confirmado por muchas pruebas que
las capas adherentes de niacutequel pueden ser aplicadas directamente a troquelados de zinc usando un
alto-sulfato en bantildeo de niacutequel El principio de este bantildeo es la adicioacuten de suficiente sulfato de sodio
para reducir la actividad del ion niacutequel y aumentar la polarizacioacuten del caacutetodo De este modo se
evita que el zinc pase a la solucioacuten precipitando niacutequel oscuro Este bantildeo de alto sulfato de niacutequel
tiene una excelente conductividad y potencia de depoacutesito
Niquelado en magnesio El galvanizado de niacutequel u otros metales en magnesio o sus
aleaciones se hace difiacutecilmente por la alta actividad del magnesio y su consecuente tendencia a
depositar niacutequel u otros metales pesados por inmersioacuten Debido a la gran diferencia de potenciales
de solucioacuten del magnesio y de metales como el cobre niacutequel o cromo eacutestos pueden galvanizarse
sobre el magnesio cuya corrosioacuten se acelera raacutepidamente si hay algunos poros o discontinuidad en
26
los recubrimientos Mientas no se pueda demostrar que pueden producirse y mantenerse
recubrimientos electroliacuteticos casi impenetrables en el magnesio y sus aleaciones es de dudarse que
estos galvanizados puedan tener una aplicacioacuten industrial
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de materiales consiste en la obtencioacuten de informacioacuten acerca de un material
bajo estudio (composicioacuten estructura morfologiacutea y otras propiedades) a partir de la interaccioacuten de
una sentildeal (eleacutectrica luminosa teacutermica etc) con una porcioacuten de dicho material Por tanto toda
caracterizacioacuten de un material supone una agresioacuten es decir una perturbacioacuten del mismo El
estudio de la respuesta del material a dicha perturbacioacuten tiene la finalidad de dar a conocer las
propiedades del mismo para asiacute predecir si seraacute uacutetil o no en una determinada aplicacioacuten
Se puede asegurar que la ayuda de las nuevas teacutecnicas de caracterizacioacuten y anaacutelisis ha sido
indispensable en el disentildeo siacutentesis y procesado de estos materiales permitiendo un cuidadoso
control de sus propiedades e incluso en muchos casos con la posibilidad de fijar de antemano
alguna de sus caracteriacutesticas
161 Dureza
La dureza es una propiedad de los materiales soacutelidos y se define como la resistencia que oponen
estos materiales a ser deformados Una buena dureza significa generalmente que el material es
resistente al rayado y al desgaste [23]
1611 Ensayo de dureza Vickers
Este ensayo usa un indentador en forma de piraacutemide hecho de diamante Figura 112 (a) El ensayo
se basa en el principio de que las impresiones hechas por este indentador tienen geometriacuteas
similares independientemente de la carga aplicada En consecuencia se aplican varias cargas
dependiendo de la dureza del material a ensayar [24] la dureza Vickers se determina entonces con
la foacutermula
HV = 1854 119865
1198632
Donde F es la fuerza aplicada en kgf y D es la diagonal de la impresioacuten hecha por el
indentador en mm El ensayo Vickers puede usarse para todos los metales porque cuenta con una
de las escalas maacutes amplias entre los ensayos de dureza
Ec 16
27
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante un ensayo de dureza
162 Rugosidad
El acabado superficial de los cuerpos puede presentar errores de forma macro y micro geomeacutetricos
auacuten las superficies consideradas como ldquomuy lisasrdquo muestran cuando son analizadas a escala
sumamente fina una compleja diversidad de particularidades geomeacutetricas [25] Por lo tanto la
rugosidad es el conjunto de irregularidades en una superficie real
1621 El perfiloacutemetro
El rugosiacutemetro o perfiloacutemetro es por mucho el equipo maacutes utilizado en la industria para medir la
rugosidad de componentes comunes El principio de operacioacuten de este equipo es simple una fina
punta en contacto con la superficie a analizar realiza un barrido controlado en liacutenea recta y las
variaciones de alturas se convierten en sentildeales eleacutectricas que son debidamente registradas
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro
28
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB)
En el microscopio electroacutenico de barrido se construyen imaacutegenes aprovechando la emisioacuten de
electrones (electrones secundarios) de una muestra cuando sobre ella incide un haz enfocado de
electrones de alta energiacutea La muestra tambieacuten emite rayos X los cuales pueden ser analizados para
obtener informacioacuten sobre la composicioacuten del material [26] Cada sentildeal del MEB es captada con
un detector apropiado
Los electrones emitidos por la interaccioacuten del haz incidente y la muestra son colectados por
los correspondientes detectores para producir una sentildeal eleacutectrica la cual se utiliza para modular la
intensidad de un haz de electrones que incide en la pantalla de un tubo de rayos catoacutedicos (TRC)
de manera que mediante un barrido sincronizado del haz incidente en la superficie de una muestra
y del haz incidente en la pantalla del TRC se produce la imagen de la muestra [26]
La emisioacuten de electrones y de rayos X de la muestra se origina por las colisiones de
electrones del haz incidente con electrones de los aacutetomos del material de la probeta tal como se
puede observar en la Figura 114
Algunas colisiones son elaacutesticas de modo que algunos electrones del haz primario pueden
salir de la superficie de la muestra sin una significativa peacuterdida de energiacutea estos son los llamados
electrones reflejados Pero la mayoriacutea de las colisiones son inelaacutesticas y entre otros efectos
originan emisioacuten de electrones de baja energiacutea conocidos como electrones secundarios
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y fotones por la
interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
29
1631 Componentes baacutesicos del MEB
Cantildeoacuten de electrones que produce un haz con energiacutea entre 5 keV y 30 keV con un diaacutemetro
efectivo entre 01 microm y 10 microm
Lentes electromagneacuteticas condensadoras que reducen el diaacutemetro del haz de manera que en
la superficie de la muestra se tiene un diaacutemetro apropiado al aumento de la imagen
Apertura final la cual controla la divergencia del haz incidente en la muestra
Una lente objetivo que enfoca el haz en la superficie de la muestra
Sistema de barrido el cual permite la construccioacuten de la imagen en la pantalla del TRC por
el barrido del haz en la superficie de la muestra
Detectores de sentildeales emitidas por la muestra (Electrones secundarios electrones
reflejados rayos X etc)
Tubo de rayos catoacutedicos para presentacioacuten de la imagen
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica es una teacutecnica relativamente nueva que permite obtener
imaacutegenes de superficies a escala molecular [27] El microscopio consta esencialmente de una punta
de Si3N4 montada sobre un fleje Con esta punta se realiza un barrido sobre la superficie de la
muestra la cual se situacutea sobre un escaacutener piezoeleacutectrico El funcionamiento del microscopio se
basa en el control por un ordenador de la fuerza ejercida por la punta durante el barrido (Ver Figura
30
116) En el modo denominado de contacto la fuerza punta-muestra se mantiene constante
mediante un sistema de retroalimentacioacuten basado en los siguientes puntos
1) La variacioacuten de la fuerza punta-muestra se traduce en movimientos verticales y horizontales
del fleje que hacen variar la direccioacuten de un rayo laacuteser incidente sobre eacutel Estos cambios en
la direccioacuten del laacuteser son recogidos por un fotodetector y analizados por un ordenador
2) Los aumentos o disminuciones de fuerza son compensados por el ordenador que enviacutea una
sentildeal al piezoeleacutectrico para que acerque o aleje la muestra a la punta
3) Tanto las variaciones del haz luminoso como los movimientos controlados del
piezoeleacutectrico son convertidos por el ordenador en un mapa topograacutefico de la superficie
Figura 116 Funcionamiento de un MFA
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX)
El meacutetodo de difraccioacuten por rayos X es una herramienta poderosa para investigar la disposicioacuten
ordenada de los aacutetomos o moleacuteculas por medio de la interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica
para producir efectos de interferencia con estructuras comparables en tamantildeo a la longitud de onda
de la radiacioacuten
31
Al igual que con los tipos de radiacioacuten electromagneacutetica la interaccioacuten entre el vector
eleacutectrico de la radiacioacuten X y los electrones de la materia que atraviesa da lugar a una dispersioacuten
Cuando los rayos X son dispersados por el entorno ordenado de un cristal tienen lugar
interferencias (constructivas y destructivas) entre los rayos dispersados ya que las distancias entre
los centros de dispersioacuten son del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la radiacioacuten
La teacutecnica de difraccioacuten de rayos X aplicada al estudio de materiales permite obtener
informacioacuten importante sobre distintos aspectos de los mismos Para recubrimientos [28] eacutesta
teacutecnica es imprescindible para determinar
Tipo de estructura (FCC HCP etc)
Esfuerzos residuales
Microdeformaciones
Tamantildeo de grano
Fases presentes
Proporcioacuten relativa de las fases
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X
El fenoacutemeno de difraccioacuten es la interferencia entre las ondas que se genera cuando hay un objeto
en su trayecto Para comprender mejor esto supoacutengase dos planos reticulares 1 y 2 tal como en la
Figura 117 de un cristal con una distancia d entre ambos converge un haz de rayos X procedente
de A con un aacutengulo de incidencia θ este haz en parte se refleja sobre el primer plano hacia F y
en parte atraviesa y se refleja sobre el plano 2 hacia F3 y asiacute sucesivamente sobre los otros planos
[29]
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X
32
En el punto D se sobrepone un rayo reflejado por el primer plano reticular y el otro del
segundo cuya diferencia de camino despueacutes de la reflexioacuten es CD-ED Si tal diferencia es un
muacuteltiplo entero n de la longitud de onda λ de la radiacioacuten X los dos rayos en D estaraacuten en
concordancia de fase y sobreponieacutendose aumentaraacute su intensidad
Por el contrario si estaacuten en discordancia tenderaacuten a anularse Para que se verifique esta
condicioacuten es necesario que las magnitudes λ d θ y n satisfagan la relacioacuten de la Ley de Bragg
nλ = 2 d sen θ
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP)
La teacutecnica electroquiacutemica llamada Resistencia a la Polarizacioacuten es el resultado de la aproximacioacuten
de bajo campo a la ecuacioacuten de Butler-Volmer y por este motivo se debe aplicar solamente cuando
exista control activacional o por transferencia de carga
Los materiales que son susceptibles de ser evaluados mediante la aplicacioacuten de la RP deben
estar inmersos en electrolitos conductores es decir que la resistividad de las soluciones no sea alta
y deben encontrarse libres de peliacuteculas resistivas
1661 Procedimiento experimental
Para realizar un estudio experimental de Resistencia a la Polarizacioacuten lo mejor es acudir a la norma
ASTM G 59-91 [32] En general los pasos a seguir de acuerdo a la norma son los siguientes
Usar un puente salino que acerque el electrodo de referencia a 2 o 3 mm de la superficie
del electrodo de trabajo
Registrar el potencial de corrosioacuten despueacutes de 5 minutos
Aplicar un potencial 30 mV maacutes negativo que el potencial registrado
Un minuto despueacutes de que se aplique el potencial se inicia un barrido con direccioacuten anoacutedica
a 06 Vh (10 mVmin) registrando el potencial y la corriente continuamente
Terminar el barrido cuando se alcanza un valor de 30 mV positivo que el potencial de
corrosioacuten
Graficar la curva de polarizacioacuten
Determinar graacuteficamente la resistencia a la polarizacioacuten como la tangente a la curva en el
origen de la graacutefica
Ec 17
33
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE)
La teacutecnica de Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica es un meacutetodo electroquiacutemico
utilizado en estudios de corrosioacuten el cual se basa en el uso de una sentildeal de corriente alterna (CA)
que es aplicada a un electrodo (metal en corrosioacuten) y determinando la respuesta correspondiente
En el procedimiento experimental comuacutenmente utilizado se aplica una sentildeal sinusoidal de
voltaje y se mide su respuesta en corriente a diferentes frecuencias aunque es posible aplicar una
pequentildea cantidad de corriente y medir la respuesta del potencial El voltaje la corriente y la
frecuencia son relacionadas por la impedancia en una forma anaacuteloga a la ley de Ohm
V = IZ
Donde Z es la impedancia del circuito A diferencia de la resistencia la impedancia de un
circuito puede depender de la frecuencia aplicada
Cuando se aplica una sentildeal de CA incluso en un sistema de corrosioacuten sencillo se comporta
de manera maacutes complicada que una sola resistencia Pues existe tambieacuten una capacitancia la de la
doble capa electroquiacutemica (Cdl) que es debida a la carga de las especies existentes en la interfase
metal-electrolito y que se encuentra presente en todos los sistemas corrosivos Ademaacutes estaacute la
resistencia de la solucioacuten (Rs) para que se le permita La combinacioacuten de estos tres componentes
proporciona un circuito equivalente simple para un metal que se corroe Dicho circuito es una
combinacioacuten de elementos eleacutectricos tales como resistores y capacitores lo que da la misma
respuesta a sentildeales eleacutectricas como el metal real que se corroe [30] El circuito simple descrito
anteriormente se muestra en la Figura 118
Figura 118 Circuito equivalente simple
Los espectros de impedancia se pueden utilizar para identificar y cuantificar las
capacitancias en el sistema y para separar diferentes resistencias por ejemplo la resistencia de la
solucioacuten y la resistencia a la polarizacioacuten A altas frecuencias la resistencia de la solucioacuten se puede
cuantificar A frecuencias maacutes bajas los diferentes tipos de procesos se producen en diferentes
Ec 18
34
escalas de tiempo (en diferentes frecuencias) y puede ser posible identificar los procesos de
difusioacuten o los fenoacutemenos de adsorcioacuten y desorcioacuten [3031]
1671 Representaciones graacuteficas
Solamente existen dos maneras de representar los valores experimentales de la espectroscopia de
impedancia electroquiacutemica
1 Diagramas de Nyquist Tipo de representacioacuten maacutes comuacuten que consiste en graficar los
valores de la impedancia real frente a los de la impedancia imaginaria Estos diagramas
permiten identificar la resistencia del electrolito la resistencia a la transferencia de carga y
la resistencia a la polarizacioacuten [3031] en la mayor parte de los casos La Figura 119
muestra un ejemplo de este tipo de diagramas
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist
2 Diagramas de Bode En este tipo de representaciones se pueden obtener dos diagramas el
moacutedulo de la impedancia y el aacutengulo de fase (Figura 120) Tambieacuten en funcioacuten de la parte
real o la imaginaria pero en escala logariacutetmica Ambos graacuteficos son particularmente uacutetiles
cuando existen constantes de tiempo con valores muy proacuteximos que no se pueden distinguir
en los diagramas de Nyquist
35
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b) Moacutedulo de
impedancia
1672 Ecuacioacuten de Brug
Como bien se sabe el objetivo de los experimentos de EIS es a menudo extraer la capacitancia de
las peliacuteculas (posiblemente como una funcioacuten del potencial aplicado) y por lo tanto para obtener
informacioacuten sobre las propiedades dieleacutectricassemi-conductoras de dichas peliacuteculas Sin embargo
en diversos sistemas la estimacioacuten de la capacitancia es difiacutecil debido a que un comportamiento
de elemento de fase constante (CPE) se observa en lugar de un comportamiento capacitivo
Brug [33] propuso una foacutermula (Ec 19) que relaciona la resistencia del electrolito (Re) y
la resistencia a la transferencia de carga (Rtc) donde es posible calcular la capacitancia contenida
en el CPE
119862 = 1198761
120572[119877119890minus1 + 119877119905119888minus1]1minus120572
120572
Donde C es la capacitancia Q es el factor de Brug Re es la resistencia del electrolito Rtc
es la resistencia a la transferencia de carga y α es la pendiente de la impedancia calculada a bajas
frecuencias
Ec 19
36
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental
21 Preparacioacuten superficial de muestras
A partir de una laacutemina de acero 1018 de 150 x 1 m se cortaron 48 placas de 10 x 2 cm cada una
con una cizalla ya que se necesitaba que cada muestra fuera perfectamente paralela para el proceso
de electrodeposicioacuten
Las placas de acero presentaban una capa de oacutexido por lo que se siguioacute la norma ASTM
G1 [34] para decapar cada muestra durante 10 minutos en HCl al 50 (Ver figura 21) para
posteriormente lavarse con agua potable y asiacute pasar al lijado con granulometriacutea 180 240 320 400
y 600 Seguido de un lavado con agua destilada para eliminar residuos de material removido y
finalizando con un bantildeo de acetona para retirar cualquier resto de humedad y grasa
Figura 21 Decapado de muestras
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos
Para los electrodepoacutesitos con influencia de un campo magneacutetico se utilizaron dos imanes de
neodimio sin embargo no teniacutean sentildealizacioacuten alguna para diferenciar sus polos ni se conociacutea el
valor del campo Entonces se utilizoacute una bruacutejula para determinar el norte y sur de cada imaacuten asiacute
como se aprecia en la Figura 22
37
Figura 22 Determinacioacuten de los polos
Y el campo magneacutetico se midioacute con un gausiacutemetro Marca RFL modelo 91 (Figura 23)
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico
23 Preparacioacuten del electrolito
Para el proceso de electrodeposicioacuten se empleoacute un bantildeo Watts estaacutendar [35] cuya composicioacuten se
presenta en la Tabla 21
38
Para la deposicioacuten electroliacutetica sin campo se preparoacute un litro de solucioacuten y para la que teniacutea
influencia de campo magneacutetico se hicieron dos litros
24 Obtencioacuten de recubrimientos
Para las electrodeposiciones se utilizoacute una fuente de poder marca Good Will Instrumets modelo
GPR-3510HD En cuya terminal negativa se conectoacute el caacutetodo (acero 1018) y en la positiva el
aacutenodo (niacutequel soacutelido Figura 24) Ambos electrodos se colocaron paralelamente cara con cara
Figura 24 Rondelas de niacutequel
Los electrodepoacutesitos de niacutequel sobre acero 1018 con y sin influencia de campo magneacutetico
se llevaron a cabo a voltaje constante siendo eacuteste de 4 V midiendo la corriente resultante al
finalizar el proceso las muestras se lavaron con agua destilada y se dejaron secar al ambiente Se
realizaron seis condiciones diferentes tal como lo muestra la Tabla 22
En el caso de los electrodepoacutesitos en presencia de campo magneacutetico se utilizaron dos
imanes de Neodimio (Valor fluctuante de 15 a 34 T) los cuales se instalaron en la cuba
electroliacutetica el polo norte cerca del aacutenodo y el polo sur del caacutetodo tal como lo muestra la Figura
25
39
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con imanes de
neodimio
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos
Las muestras electrodepositadas con y sin presencia de campo magneacutetico se fijaron a una celda
de acriacutelico con un aacuterea de exposicioacuten de 133 cm2 en dicha celda se vertioacute una solucioacuten de NaCl
al 3 en peso se colocoacute una tapa y se introdujeron un electrodo de referencia de AgAgCl y un
contra-electrodo de grafito Dicha celda se conectoacute a un potenciostato marca Bio-logic modelo
SP-150 controlado mediante una computadora de escritorio con su respectivo software El
dispositivo utilizado para las pruebas se puede ver en la Figura 26a
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el electrodo de
referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo (ET)
40
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
Se utilizoacute la teacutecnica de RP en modo potenciodinaacutemico en un intervalo de plusmn 20 mVEcorr a una
velocidad de barrido de 01667 mVs haciendo la respectiva curva de polarizacioacuten mediante la
computadora Previo a esto el electrodo de trabajo se dejoacute estabilizar en el electrolito (NaCl al 3
peso) durante 30 minutos
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica
Al teacutermino de la medicioacuten de la RP el electrodo de trabajo se dejoacute a circuito abierto durante 15
minutos Posteriormente se utilizoacute la teacutecnica EIE en un intervalo de frecuencias de 50 kHz a 50
mHz a 7 puntos por deacutecada y 10 mV de perturbacioacuten
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos
Para la caracterizacioacuten superficial las placas se cortaron en una maacutequina dobladora a una medida
de 2 x 2 cm para asiacute poder ingresar a ciertos equipos Se eligioacute una muestra de cada condicioacuten
tanto con y sin influencia de campo magneacutetico
261 Dureza
Los estudios de dureza fueron obtenidos con un microduroacutemetro de Vickers marca
Mitutoyo Colocando las placas en el portamuestras del microscopio se hizo incidir el indentador
de diamante aplicando una carga de 10 kgf durante 20 s para un acero suave [36] Este
procedimiento se realizoacute 5 veces por muestra para obtener un promedio de dureza
262 Rugosidad
Se utilizoacute un rugosiacutemetro marca Mitutoyo modelo Surftest-402 Las muestras se colocaron
en una superficie plana y sobre ella se situoacute el palpador con punta coacutenica tal como lo muestra la
Figura 27 posteriormente se calibroacute dicha punta y entonces el equipo realizoacute un pequentildeo recorrido
sobre la superficie con el que determinoacute la rugosidad de cada muestra en microm
41
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido
Para esta caracterizacioacuten de las placas se utilizoacute el Microscopio Electroacutenico de Barrido de
alto-bajo vaciacuteo Jeol JSM 6610LV con un voltaje de 20 kV y una distancia de trabajo de 10 mm
Las placas se colocaron en un portamuestras (Figura 28) y se analizaron a alto vaciacuteo Las imaacutegenes
se formaron con una sentildeal de electrones secundarios a 500 1000 y 5000X
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
Se utilizoacute un Microscopio de Fuerza Atoacutemica marca Asylum Research modelo Cypher que cuenta
con una punta de silicio que tiene una constante de 2 Nm (conforme se va desgastando va
disminuyendo su valor)
Para las muestras sin influencia de campo magneacutetico se utilizoacute el modo contacto es decir
la fuerza entre la punta y la muestra son constantes En el caso de las muestras con influencia de
campo magneacutetico que mostraron una superficie menos rugosa y maacutes faacutecil de medir
topograacuteficamente se usoacute el modo no contacto por lo que la punta no tocaba la muestra sino que
42
oscilaba a una distancia de entre 1 y 10 nm Todas las imaacutegenes se obtuvieron en un aacuterea de 10 x
10 microm a una velocidad de barrido de 10 Hz escaneando 512 liacuteneas generadas por 512 puntos en
zonas especiacuteficas
265 Difraccioacuten de rayos X
Para esta caracterizacioacuten se utilizoacute un difractoacutemetro de rayos X marca Siemens modelo D5000
Las condiciones de operacioacuten fueron las siguientes velocidad de barrido de 05 s incrementos de
0035cps 35 kV y 25 mA El intervalo de aacutengulo seleccionado fue 2θ = 30 a 120deg que es el
rango donde aparecen la mayoriacutea de los picos caracteriacutesticos del niacutequel [37]
43
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten
Para una mejor comprensioacuten de los resultados eacutestos se presentan de manera comparativa en
funcioacuten del tiempo de electrodeposicioacuten con y sin campo magneacutetico analizando dichos
recubrimientos con las teacutecnicas electroquiacutemicas planteadas en el capiacutetulo de metodologiacutea
experimental tambieacuten se realizaron anaacutelisis del comportamiento de las propiedades fiacutesicas tales
como dureza rugosidad y espesor para determinar la influencia del campo magneacutetico durante la
electrodeposicioacuten de niacutequel
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos
La Figura 31b muestra las reacciones que se llevaron a cabo en el proceso de electrodeposicioacuten
Como ya se sabe en el aacutenodo se lleva a cabo la oxidacioacuten del niacutequel y en el caacutetodo la reduccioacuten
del mismo Sin embargo en el caacutetodo tambieacuten se lleva a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten del
hidroacutegeno ya que el medio usado para la electrodeposicioacuten es aacutecido (pH = 3) por ello la eficiencia
en el caacutetodo no es del 100
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni
311 Caacutelculo de masa depositada
Para conocer la masa de Ni depositada en el acero 1018 se realizaron mediciones de peso antes y
despueacutes de que las placas fueran sometidas al proceso de electrodeposicioacuten Sin embargo como el
aacuterea de electrodepoacutesito no es la misma en todas las placas se compara la masa depositada por
centiacutemetro cuadrado tal como lo muestra la Tabla 31
44
En la tabla 31 se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten de
niacutequel la masa por unidad de aacuterea aumenta Esto se cumple para ambas temperaturas (30degC y 60degC)
y ambas condiciones (sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico) sin embargo se demostraraacute
maacutes adelante que el aumento de masa no es garantiacutea de una reduccioacuten de la velocidad de corrosioacuten
(Grafico 31) Es importante sentildealar que tanto a 30degC como a 60degC la masa de niacutequel disminuye
cuando se utiliza el campo mageacutentico sin embargo a 30degC esto no se cumple debido a que hay un
aumento de masa
312 Eficiencia en corriente
Es importante mencionar que en todos los electrodepoacutesitos la corriente final era menor que la
inicial Dicha caiacuteda de corriente se debioacute a la formacioacuten de una capa de oacutexido en el aacutenodo Figura
32 lo que ocasionoacute una disminucioacuten en la entrega de cationes (Ni2+) a la solucioacuten
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido
La eficiencia en corriente se evaluoacute con la foacutermula del Anexo 1-A y se tomoacute el valor de la
corriente inicial para dicho caacutelculo Los resultados se muestran en la Tabla 32 Mientras que
Ferreira y Colnago [12] reportaron obtener eficiencias del doble para sus peliacuteculas de cobre en
45
este caso se puede notar que la presencia del campo magneacutetico provoca una disminucioacuten en el
rendimiento del sistema
La fuente de poder se debe regular para poder otorgar los 4 V que el proceso de
electrodeposicioacuten requiere y desde el momento en que se enciende el aparato empieza a mandar
corriente Por ello ciertas eficiencias sobrepasan el 100 pues el tiempo de ajuste se excedioacute maacutes
de 50 segundos
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
En la Figura 33 se observan los resultados de la resistencia a la polarizacioacuten en funcioacuten de la
temperatura y del tiempo de exposicioacuten A 60degC se observa que el campo magneacutetico provoca una
disminucioacuten de la resistencia a la polarizacioacuten para los diferentes tiempos de electrodepoacutesito
realizados lo cual se traduce en un aumento de la velocidad de corrosioacuten de acuerdo con la
ecuacioacuten de Stern y Geary (Ec 14) Este efecto de disminucioacuten de la Rp tambieacuten se observa en
los datos a 30degC con excepcioacuten del tiempo 7 minutos
46
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal
En la Tabla 33 se presentan las variaciones de icorr y Vcorr sin campo magneacutetico y en
presencia de campo magneacutetico a 30deg y 60deg en funcioacuten del tiempo de electrodepoacutesito
En la Graacutefica 31 se puede observar que a 60degC con mayor tiempo de electrodeposicioacuten de
Ni disminuye la Vcorr Sin embargo se puede notar que con la presencia del campo las velocidades
de corrosioacuten son mayores pero respetando la tendencia antes mencionada
60degC17min CM
60degC17min SC
60degC12min CM
60degC12min SC
60degC7min CM
60degC7min SC
30degC17min CM
30degC17min SC
30degC12min CM
30degC12min SC
30degC7min CM
30degC7min SC
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Rp (Ohm cm2)
47
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de electrodeposicioacuten
La tabla 34 muestra los valores de Ecorr para ambas temperaturas (30degC y 60degC) y en las
dos condiciones ensayadas (sin campo y con campo) Sin campo magneacutetico y con excepcioacuten de
30degC y 17 min se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten el Ecorr se
desplaza hacia valores menos negativos al mismo tiempo que la Vcorr disminuye (Tabla 33) De
acuerdo con la Teoriacutea de Potencial Mixto explicada por Evans el sistema se encuentra bajo un
control tipo anoacutedico es decir que la reaccioacuten de oxidacioacuten de niacutequel se desplaza para dar un Ecorr
menos negativo al mismo tiempo que reduce la Vcorr
1198731198942+ + 2119890minus harr 119873119894deg
Sin embargo a 30degC y 17 min el sistema se encuentra bajo control catoacutedico debido a que
persiste la disminucioacuten de Vcorr ahora con un cambio en el potencial hacia valores maacutes negativos
Al comparar los valores de Ecorr sin campo magneacutetico con los de campo magneacutetico se observa que
para la temperatura 60degC los valores de Ecorr se desplazan hacia valores maacutes electronegativos
Como se discutioacute anteriormente esto se debe a un control cineacutetico tipo anoacutedico Cuando se
considera la temperatura de 30degC se observa un desplazamiento hacia valores menos negativos es
7min 12min 17min
000
002
004
006
008
010
Vco
rr (
mm
an
o)
Tiempo de electrodeposicion
60degC Sin campo
60degC Con campo
30degC Sin campo
30degC Con campo
48
decir la cineacutetica estaacute controlada por la reaccioacuten catoacutedica Diversos trabajos reportan este mismo
efecto en donde el campo magneacutetico tiene un efecto sobre la reaccioacuten de reduccioacuten de oxiacutegeno
1198742 + 21198672119874 + 4119890minus harr 4119874119867minus
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica
Como se mencionoacute previamente en el apartado 167 referente a la teacutecnica de impedancia
mediante esta teacutecnica es posible evidenciar y cuantificar el efecto que tiene la capacitancia de una
interface electroquiacutemica y asiacute proporcionar informacioacuten complementaria al estudio de corrosioacuten
Las graacuteficas 32 33 y 34 correspondientes a los diagramas de Nyquist obtenidos en los
tres diferentes tiempos de electrodeposicioacuten a 60degC con y sin influencia de campo magneacutetico
Revelan en los tres casos que el campo magneacutetico disminuye la resistencia a la transferencia de
carga (Rtc) es decir el proceso de corrosioacuten se ve favorecido tal como se pudo mostrar en los
resultados de resistencia a la polarizacioacuten De igual manera se observa una disminucioacuten en la
resistencia del electrolito (Rs) esto debido a la fuerza convectiva (visible) que ejerce el campo
magneacutetico en el electrolito el cual provoca una mejor difusioacuten de los iones dicha informacioacuten es
consistente a lo reportado por Calivar e Ispas [67]
49
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
500
1000
1500
2000 50 mHz
60degC 7min SC
60degC 7min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
1000
2000
3000
50 mHz
60degC 12min SC
60degC 12min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
50 kHz
50 mHz
Re(Z) (Ohm cm2)
50
Graacutefica 34 EIE de 60degC 17min
34 Dureza Rugosidad y Espesor
La Tabla 35 muestra que la aplicacioacuten de un campo magneacutetico durante el proceso de
electrodeposicioacuten de niacutequel provoca que la dureza disminuya lo que significa que el recubrimiento
es menos susceptible a fracturarse este resultado es similar a lo reportado por Zielinski [11] y la
disminucioacuten de fracturas en sus peliacuteculas de Co-W ante la presencia de un campo magneacutetico
Tambieacuten es importante sentildealar que la rugosidad de cada niquelado presentoacute un
empobrecimiento lo que significa que el campo magneacutetico ayuda a obtener recubrimientos maacutes
uniformes
0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000
0
3000
6000
9000
12000
15000
18000 50 mHz
60degC 17min SC
60degC 17min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
51
Los espesores fueron calculados mediante la foacutermula que aparece en el Anexo 1-B y se
puede notar que eacuteste decrece ante la presencia del campo magneacutetico Esto se puede constatar de
igual forma a partir de los datos de impedancia los cuales permitieron calcular los valores de
capacitancia a partir de la ecuacioacuten de Brug (Ec 19) cuyos resultados se muestran en la Tabla
36
Como se puede observar los valores de capacitancia con el campo magneacutetico son mayores
en un orden de magnitud que aquellos donde no existe el campo permitiendo confirmar que el
espesor maacutes delgado se encuentra con la influencia del campo
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
A continuacioacuten se muestran las imaacutegenes topograacuteficas obtenidas en el MFA Con lo cual se puede
corroborar que ocurre una disminucioacuten en la rugosidad de las peliacuteculas de niacutequel con presencia de
campo magneacutetico
52
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC-7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC-12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC-17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
36 Difraccioacuten de Rayos X
Los patrones de difraccioacuten de los recubrimientos de Ni en acero 1018 Figura 37 se caracterizan
por la presencia de los planos de la estructura cuacutebica centrada en las caras de acuerdo al PDF 03-
065-4899 [32] Esta fase cristalina estuvo presente en todos los recubrimientos
De acuerdo con lo reportado por Hu [33] la energiacutea de activacioacuten para la evolucioacuten de
hidroacutegeno es mayor en el plano (111) que en el plano (200) del Ni Dicho de otra manera en el
53
plano (200) habraacute maacutes produccioacuten de hidroacutegeno gaseoso durante el proceso de electrodeposicioacuten
de niacutequel lo que trae consigo posiblemente recubrimientos porosos
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia de campo
magneacutetico
Para los depoacutesitos en presencia de campo magneacutetico a 7 y 12min se observa una orientacioacuten
preferencial en el plano (200) sin embargo el pico a 7min es mucho mayor que el de 12
comparando estos resultados con las pruebas electroquiacutemicas y de acuerdo a los reportado por Hu
[33] esto nos lleva a suponer que en este caso el recubrimiento es maacutes poroso y delgado de acuerdo
a las medidas de espesor (Tabla 35) Para el caso de 17min con campo magneacutetico se tiene una
orientacioacuten preferencial en el plano (111) esta muestra tiene un mejor comportamiento
electroquiacutemico de acuerdo a la Figura 33 ademaacutes de acuerdo a lo reportado por Hu [33] nos lleva
a deducir que este recubrimiento es el menos poroso de los tres con campo magneacutetico Lo anterior
explica por queacute la velocidad de corrosioacuten es mayor a 7min y va disminuyendo conforme aumenta
el tiempo de electrodeposicioacuten Y tambieacuten revela la causa por la que el potencial de corrosioacuten es
maacutes negativo en presencia del campo magneacutetico La porosidad tambieacuten nos explica la razoacuten por la
cual la dureza de los recubrimientos hechos en presencia del campo magneacutetico disminuye con
respecto a aquellos realizados en ausencia del mismo
40 45 50 55 600
4000
8000
12000
16000
20000
17min SC
17min CM
12 min CM
12 min SC
7min CM
Inte
nsid
ad
(U
A)
2 (grados)
60degC-7min SC
60degC-12min SC
60degC-17min SC
60degC-7min CM
60degC-12min CM
60degC-17min CM
Ni
7min SC
(111) (200)
54
La existencia de los poros en el recubrimiento propicia un par galvaacutenico Figura 38 entre
el niquelado electroliacutetico y el acero 1018 ya que este uacuteltimo es maacutes electronegativo por
consiguiente maacutes propenso a la corrosioacuten Tambieacuten estaacute el efecto de las diferencias de aacutereas entre
aacutenodo (acero) y caacutetodo (niquelado) siendo en este caso el caacutetodo quien posee mayor aacuterea de
exposicioacuten al ambiente es el aacutenodo quien se corroeraacute maacutes faacutecil y raacutepidamente
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni
37 Microscopia Electroacutenica de Barrido
Las Figuras 39 310 y 311 muestran las imaacutegenes obtenidas en el MEB de los recubrimientos de
Ni a 60degC 7min 12min y 17min respectivamente Se aprecia una morfologiacutea maacutes uniforme con la
presencia de campo magneacutetico y las aglomeraciones de partiacuteculas metaacutelicas son mucho maacutes
grandes que sus homoacutelogos sin influencia del campo
55
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y sin influencia
de campo magneacutetico
56
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min con y sin
influencia de campo magneacutetico
57
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min con y sin
influencia de campo magneacutetico
58
Conclusiones
A partir de los resultados experimentales obtenidos en el presente trabajo se puede concluir lo
siguiente
La eficiencia de electrodepositacioacuten es funcioacuten de la pureza del aacutenodo y de la corriente
aprovechada por la reaccioacuten de reduccioacuten de hidroacutegeno
El aumento en el tiempo de electrodepositacioacuten conduce a un aumento en la masa de niacutequel
electrodepositada esto es vaacutelido para la condicioacuten sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico
sin embargo esto no garantiza la disminucioacuten de Vcorr
Sin campo magneacutetico los resultados obtenidos a 30degC y 60degC muestran que la Vcorr
disminuye conforme el tiempo de electrodepoacutesito de niacutequel aumenta Tambieacuten en ausencia del
campo las Vcorr obtenidas a 30degC son menores comparadas con las Vcorr a 60degC a excepcioacuten de
17 min
Sin campo magneacutetico se observa que la degradacioacuten del niquelado estaacute controlada por una
cineacutetica anoacutedica lo cual es vaacutelido para 30degC y para 60degC con excepcioacuten de 30degC y 17 min donde
la cineacutetica que controla es catoacutedica Asimismo a 30degC con campo magneacutetico se observa que la
cineacutetica que controla el sistema es la catoacutedica lo cual sugiere que la reaccioacuten de reduccioacuten de
oxiacutegeno ser manipulada por el campo magneacutetico
En presencia del campo magneacutetico se encontroacute que la resistencia de la solucioacuten disminuyoacute
tanto a 30degC como a 60degC debido a una fuerza adicional convectiva que provoca el campo
magneacutetico
La Vcorr es dependiente de la cantidad de masa depositada pero tambieacuten del ordenamiento
cristalino que los aacutetomos de niacutequel adquieren al momento del electrodepoacutesito
En presencia del campo magneacutetico las micrografiacuteas MEB revelan superficies con menos
rugosidad respecto a las muestras sin campo magneacutetico
A 60degC hay poca o nula contribucioacuten del campo magneacutetico mientras que a 30degC si hay una
contribucioacuten del campo pero es negativa respecto a la Vcorr
59
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62
Anexo 1 Caacutelculos
1-A Caacutelculo de eficiencia
En la praacutectica la corriente suministrada a un sistema no es aprovechada al 100 pues hay
peacuterdidas de corriente por diversos motivos entre otros
a) Desviacioacuten de corriente por caminos secundarios
b) Impurezas de las soluciones (las cuales dan reacciones secundarias)
c) Resistencia eleacutectrica propia del bantildeo electroliacutetico
d) Peacuterdidas por transformacioacuten de energiacutea eleacutectrica a energiacutea caloriacutefica
e) Fenoacutemenos de polarizacioacuten
Entonces se puede decir que
Eficiencia en corriente = 119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119905119890oacute119903119894119888119886
119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119904119906119898119894119899119894119904119905119903119886119889119886 119903119890119886119897x100
1-B Caacutelculo de Espesor
El meacutetodo maacutes satisfactorio para medir el espesor promedio de una capa es disolverla y determinar
el peso de la misma a partir de una muestra cuya aacuterea se conozca en el caso de este estudio se
pesaron las placas antes y despueacutes del electrodepoacutesito para determinar la masa depositada El
espesor se calcula asiacute a partir del peso y del aacuterea y de la densidad o peso especiacutefico del depoacutesito
utilizando la foacutermula
T (espesor) = 119862119882 (119901119890119904119900)
119860(aacute119903119890119886)times119863(119901119890119904119900 119890119904119901119890119888iacute119891119894119888119900)
En donde C es una constante que depende simplemente de las unidades utilizadas En
unidades meacutetricas la ecuacioacuten se transforma en
T(mm) = 10119882(119892119903)
119860(1198881198982)times119863
63
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 7min
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 12min
-0000006 -0000003 0000000 0000003
-040
-038
-036
-034
-032
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
-0000004 -0000002 0000000 0000002
-035
-034
-033
-032
-031
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
64
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 17min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 7min
-00000006 -00000003 00000000 00000003 00000006
-026
-024
-022
-020
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
-00000027 -00000018 -00000009 00000000 00000009 00000018
-028
-024
-020
-016
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
65
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 12min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 17min
-0000004 -0000002 0000000 0000002 0000004
-038
-036
-034
-032
-030
-028
-026
-024
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
-0000006 -0000003 0000000 0000003 0000006 0000009
-032
-031
-030
-029
-028
-027
-026
-025
-024
-023
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
viii
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica 48
34 Dureza Rugosidad y Espesor 50
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 51
36 Difraccioacuten de Rayos X 52
Conclusiones 58
Bibliografiacutea 59
Anexo 1 Caacutelculos 62
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten 63
ix
Iacutendice de Tablas
Tabla 11 Paraacutemetros termodinaacutemicos de las celdas electroquiacutemicas 11
Tabla 12 Serie galvaacutenica 12
Tabla 13 Ejemplos de electrolitos y no electrolitos 15
Tabla 21 Composicioacuten del bantildeo Watts 37
Tabla 22 Condiciones de operacioacuten 38
Tabla 31 Masa depositada en cada centiacutemetro cuadrado 44
Tabla 32 Valores de eficiencia 45
Tabla 33 Valores de icorr y Vcorr con y sin campo magneacutetico 46
Tabla 34 Valores de potencial de corrosioacuten 48
Tabla 35 Valores de dureza rugosidad y espesor para recubrimientos de Ni con y sin
influencia de campo magneacutetico
51
Tabla 36 Valores de capacitancia para recubrimientos de Ni con y sin presencia de
campo magneacutetico
51
x
Iacutendice de Figuras
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver 5
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes
(izq) Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico
aplicado
6
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas
(izq) Con campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
6
Figura 14 El campo magneacutetico 7
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca 9
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda 10
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten 11
Figura 18 Celda galvaacutenica 13
Figura 19 Celda electroliacutetica 14
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de
sacrificio de magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
18
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre 20
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante ensayo de dureza
27
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro 27
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y de
fotones por la interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
28
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB 29
Figura 116 Funcionamiento de un MFA 30
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X 31
Figura 118 Circuito equivalente simple 33
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist 34
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b)
Moacutedulo de impedancia
35
Figura 21 Decapado de muestras 36
xi
Figura 22 Determinacioacuten de los polos 37
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico 37
Figura 24 Rondelas de niacutequel 38
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con
imanes de Neodimio
39
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el
electrodo de referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo
(ET)
39
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad 41
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB 41
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni 43
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido 44
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal 46
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC 7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC 12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC 17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia
de campo magneacutetico
53
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni 54
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y
sin influencia de campo magneacutetico
55
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min
con y sin influencia de campo magneacutetico
56
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min
con y sin influencia de campo magneacutetico
57
xii
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de
electrodeposicioacuten
47
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min 49
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min 49
Graacutefica 34 EIE de 60degC a 17min 50
xiii
Nomenclatura
Ni ndash Niacutequel
T ndash Tesla
M ndash Metal
A ndash Ampere
Ec ndash Ecuacioacuten
ER ndash Electrodo de Referencia
ET ndash Electrodo de Trabajo
EA ndash Electrodo Auxiliar
Ecorr ndash Potencial de corrosioacuten
Vcorr ndash Velocidad de corrosioacuten
Rp ndash Resistencia a la polarizacioacuten
Rtc ndash Resistencia a la transferencia de carga
Rs ndash Resistencia del electrolito o de la solucioacuten
EIE ndash Espectroscopiacutea de impedancia electroquiacutemica
MFA ndash Microscopiacutea de fuerza atoacutemica
DRX ndash Difraccioacuten de rayos X
MEB ndash Microscopiacutea electroacutenica de barrido
SC ndash Sin campo magneacutetico
CM ndash Con campo magneacutetico
HV ndash Dureza Vickers
xiv
Resumen
En este estudio se obtuvieron recubrimientos de niacutequel con y sin presencia de campo magneacutetico a
60degC a 7 12 y 17 min sobre sustratos de acero al carbono AISI 1018 a partir de una solucioacuten tipo
Watts claacutesica Las propiedades de los recubrimientos se estudiaron mediante DRX MEB MFA
duroacutemetro y rugosiacutemetro tambieacuten se estudioacute el comportamiento electroquiacutemico de las peliacuteculas
mediante RP y EIE y ademaacutes se realizaron caacutelculos de capacitancia icorr velocidad de corrosioacuten
y espesor En general el campo magneacutetico tiene una influencia negativa en las propiedades fiacutesicas
y quiacutemicas de un electrodeposito de Ni en acero AISI 1018 Los detalles son discutidos en esta
investigacioacuten
Abstract
In this study nickel coatings were obtained with and without the presence of magnetic field at 60degC
for 7 12 and 17 min on substrates of AISI 1018 carbon steel from a classical type Watts solution
The properties of the coatings were studied by XRD SEM AFM hardness tester and roughness
tester the electrochemical behavior of the films was also studied through RP and EIE and also
capacitance calculations icorr corrosion rate and thickness were made In general the magnetic
field has a negative influence on the physical and chemical properties of an electrodeposited Ni
steel AISI 1018 The details are discussed in this research
1
Introduccioacuten
En los Reactores de agua en ebullicioacuten (BWR por sus siglas en ingleacutes) la radioacutelisis del agua
produce un medio altamente oxidante [1] que genera que los materiales estructurales presenten un
elevado potencial electroquiacutemico de corrosioacuten (PEC) cuando estaacuten en contacto con el agua en el
BWR Este PEC incrementa la propensioacuten a experimentar agrietamiento por corrosioacuten bajo
esfuerzos (SCC) [2] y agrietamiento por corrosioacuten intergranular bajo esfuerzos (IGSCC) [3] en los
materiales de los componentes internos tales como acero inoxidable aleaciones base niacutequel y las
zonas afectadas por el calor (HAZ) propias de un proceso de soldadura Ademaacutes en las condiciones
de alta temperatura del reactor BWR se forma una capa de oacutexido que puede ser hematita en
condiciones de alto oxiacutegeno o magnetita en condiciones de bajo oxiacutegeno Este segundo oacutexido es
un imaacuten por naturaleza por lo que este estudio contribuiraacute ademaacutes a discernir y en dado caso a
explicar si la presencia de un oacutexido magneacutetico o de otro que no lo sea tiene una influencia en la
deposicioacuten de recubrimientos alternos para mitigar el agrietamiento por corrosioacuten bajo esfuerzos
(SCC por sus siglas en ingleacutes) de los materiales de componentes internos de reactores BWR
El electrodepoacutesito de niacutequel sobre una superficie metaacutelica se hace con el fin de proteger las
piezas de la corrosioacuten pues posee buenas propiedades anticorrosivas y buena resistencia al
desgaste Los recubrimientos de niacutequel se utilizan en numerosos sectores industriales electroacutenica
componentes eleacutectricos petroquiacutemica automocioacuten etc [4] Por ello el presente trabajo muestra la
utilizacioacuten de un campo magneacutetico de 15 a 34 T (Valor fluctuante) para la obtencioacuten de
recubrimientos de Ni en acero un acero bajo carbono especiacuteficamente el AISI 1018 Las
propiedades de dichos recubrimientos se evaluaron mediante teacutecnicas electroquiacutemicas como Rp y
EIE para determinar las velocidades de corrosioacuten de las peliacuteculas De igual manera se estudiaron
los recubrimientos mediante DRX MEB y MFA Para finalmente establecer la influencia positiva
o negativa de dicho campo magneacutetico en los procesos de deposicioacuten electroliacutetica
2
Justificacioacuten
Para mitigar el SCC de los componentes internos de los BWR [5] en la actualidad se antildeaden sales
como precursores metaacutelicos por ejemplo Na2Pt(OH)6 que se transforman en partiacuteculas metaacutelicas
al entrar en contacto con el acero debido a la diferencia de potencial entre Fe y Pt [6] adhirieacutendose
al acero estructural por medio de procesos de precipitacioacuten Estas partiacuteculas catalizan las reacciones
de recombinacioacuten de especies oxidantes disminuyendo los procesos de corrosioacuten del acero sin
embargo los catalizadores basados en Pt tienen el inconveniente de costo elevado [7]
En este sentido una posible opcioacuten es la electrodeposicioacuten de un metal sobre la superficie
que se interesa proteger pero la efectividad de estos depoacutesitos depende de la preparacioacuten de la
superficie y de aspectos teacutecnicos ya estandarizados en normativas por ejemplo la Norma ISO
1458-1974 ldquoMetallic coatingsrdquo Si bien son de los mejores meacutetodos para proteger un metal auacuten
presentan diversas anomaliacuteas que generan superficies porosas falta de cohesioacuten y peliacuteculas
amorfas lo que conlleva a altos costos de produccioacuten debido a que se debe repetir el proceso y
contaminacioacuten ambiental a causa de los reactivos quiacutemicos usados para limpiar nuevamente la
superficie a recubrir
Debido a lo anterior este estudio tiene por objeto determinar si el campo magneacutetico influye
o no en las propiedades de adherencia rugosidad y eficiencia de un electrodepoacutesito de niacutequel
Siendo los mayores beneficiarios con este trabajo investigativo el ambiente la industria
galvanoplaacutestica y la comunidad electroquiacutemica
3
Objetivo General
Evaluar el efecto de un campo magneacutetico sobre las propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero bajo carbono especiacuteficamente en un acero AISI 1018
Objetivos Especiacuteficos
1- Elaborar electrodepoacutesitos de niacutequel en acero 1018 con y sin presencia de campo magneacutetico
2- Evaluar los electrodepoacutesitos mediante corriente directa y alterna
3- Analizar los electrodepoacutesitos por medio de pruebas fiacutesicas y quiacutemicas
4- Determinar el efecto de un campo magneacutetico en un electrodepoacutesito de niacutequel
4
Hipoacutetesis
El campo magneacutetico provoca una orientacioacuten en los iones yo moleacuteculas del electrolito destinado
a la electrodeposicioacuten con ello se modifican ciertas propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero 1018
5
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico
11 Antecedentes
El efecto de un campo magneacutetico sobre la orientacioacuten de las moleacuteculas durante un proceso de
formacioacuten de un producto ha sido muy poco estudiado En la industria se encuentran algunos casos
sin que haya reportes formales A continuacioacuten se discutiraacuten algunos de ellos
El ldquoFuel Energy Saverrdquo (Figura 11) es un producto de la compantildeiacutea mexicana ldquoEnergy
Saverrdquo se trata de un inductor de resonancia magneacutetica de alta potencia que genera frecuencias
especiacuteficas la cual fractura las cadenas de hidrocarburos alineando y haciendo todas las moleacuteculas
maacutes accesibles al oxiacutegeno lo que se traduce en una mejor combustioacuten con el consiguiente ahorro
de combustible y reduccioacuten de contaminacioacuten [8] Es aplicable para cualquier tipo de combustible
(gas natural gas LP dieacutesel combustoacuteleo gasoacuteleo) y puede ser usado en todo equipo de iacutendole
industrial (hornos calderas calentadores secadores estufas)
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver
Algunas empresas del ramo automotriz (por ejemplo Mercedes Benz) estaacuten empleando el
principio del FES para que por medio un campo magneacutetico se orienten las moleacuteculas del
combustible y de oxiacutegeno antes de que eacutestas sean consumidas La explicacioacuten a este fenoacutemeno fue
dada por Kita amp Kulish [9] que consiste en lo siguiente el combustible se consumiraacute a medida que
haya oxiacutegeno disponible Si en lugar de que el oxiacutegeno se alimente de manera ldquodesordenadardquo eacuteste
pudiera ser orientado antes de entrar a la caacutemara de combustioacuten se lograriacutea un mejor consumo de
combustible-oxiacutegeno lo cual se traduce en mayor potencia en el motor y un mejor
aprovechamiento del combustible es decir habriacutea menor cantidad de contaminantes (NOx y CO2)
en el escape
6
Otro ejemplo del uso de campos magneacuteticos se puede encontrar en la formacioacuten de
calcaacutereos en intercambiadores de calor La industria que sufre de formacioacuten de dichos productos
tambieacuten ha encontrado beneficios con el uso de un campo magneacutetico colocado en el depoacutesito de
agua y se observa que los productos calcaacutereos se desvanecen tal como se aprecia en la Figura 12
La explicacioacuten a este efecto se atribuye nuevamente a la reorientacioacuten de las moleacuteculas dando como
consecuencia una estructura amorfa en lugar de una cristalina caracteriacutestica de los calcaacutereos [10]
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes (izq)
Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico aplicado
Por el lado de las investigaciones cientiacuteficas se tiene el anaacutelisis del efecto de un campo
magneacutetico de 12 T en la electrodeposicioacuten y estructura de las aleaciones cobalto-tungsteno con
ello Zielinski [11] pudo establecer que la aplicacioacuten del campo magneacutetico cambioacute la composicioacuten
quiacutemica y la morfologiacutea de las aleaciones Co-W
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas (izq) Con
campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
7
De la misma manera Ferreira y Colnago [12] estudiaron la influencia del campo magneacutetico
de una resonancia magneacutetica nuclear (RMN) durante la reaccioacuten electroliacutetica del cobre Sus
resultados fueron exitosos pues la reaccioacuten en presencia de un campo magneacutetico de 023 T tuvo
un rendimiento del doble que la de la reaccioacuten en ausencia de dicho campo
Finalmente pero no menos importantes Calivar [13] con su creacioacuten de modelos de
conveccioacuten magneacutetica en electrodeposicioacuten de peliacuteculas delgadas de cobre y tambieacuten Ispas [14]
con su estudio del efecto de un campo magneacutetico de 05 T en la electrodeposicioacuten de la aleacioacuten
Ni-Fe Ambos llegaron a la misma conclusioacuten un campo magneacutetico provoca una conveccioacuten en el
fluido el cual provoca una contribucioacuten adicional de masa-transporte
12 Generalidades
121 El campo magneacutetico
Se trata de un campo que ejerce fuerzas (denominadas magneacuteticas) sobre los materiales Es una
magnitud vectorial pero no produce ninguacuten efecto sobre cargas en reposo (como siacute lo hace el
campo eleacutectrico doacutende las acelera a traveacutes de la fuerza eleacutectrica) Sin embargo el campo magneacutetico
siacute tiene influencia sobre cargas eleacutectricas en movimiento [15]
Por ejemplo en el estado soacutelido si una carga en movimiento atraviesa un campo magneacutetico
la misma sufre la accioacuten de una fuerza magneacutetica que no modifica la velocidad pero siacute la
trayectoria Cabe mencionar que en el estado liacutequido o en el estado gaseoso el efecto del campo
magneacutetico no estaacute bien definido
Figura 14 El campo magneacutetico
8
La unidad de campo magneacutetico en el Sistema Internacional es el tesla (T) Un tesla se define
como el campo magneacutetico que ejerce una fuerza de 1 N (newton) sobre una carga de 1 C (coulomb)
que se mueve a velocidad de 1 ms dentro del campo
122 Definicioacuten de corrosioacuten
Se denomina corrosioacuten al ataque destructivo de un material generalmente metaacutelico por reaccioacuten
quiacutemica o electroquiacutemica con su medio ambiente (atmoacutesfera suelo agua etc)
La reaccioacuten baacutesica de corrosioacuten es
M Mn+ + ne-
De acuerdo con ello tambieacuten es posible definir la corrosioacuten desde un punto de vista maacutes
electroquiacutemico como el traacutensito de un metal de su forma elemental a su forma ioacutenica o combinada
con una respectiva cesioacuten de electrones [16] Dicho de otra manera el metal a traveacutes de la
corrosioacuten retorna a su forma combinada formando oacutexidos sulfuros hidroacutexidos etc Pues asiacute es
como los metales se encuentran habitualmente en la naturaleza por tratarse de formas
termodinaacutemicamente maacutes estables
El proceso de corrosioacuten es natural y espontaacuteneo y cuanto mayor es la energiacutea gastada en la
obtencioacuten del metal a partir del mineral tanto maacutes es la tendencia del metal a regresar a su forma
basal es decir mucho maacutes favorecida termodinaacutemicamente estaacute la reaccioacuten de oxidacioacuten
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten
Tradicionalmente se establecen dos procesos baacutesicos de ataques corrosivos atendiendo al medio
en el que se producen
Corrosioacuten seca
Corrosioacuten huacutemeda
1231 Corrosioacuten seca
Tiene lugar cuando el material se encuentra sometido a la accioacuten de gases principalmente a
temperaturas elevadas por lo que no se tiene un electrolito condensado Este tipo de corrosioacuten es
la que se produce en calderas sobrecalentadores reactores etc en la parte que estaacute en contacto
con los productos de combustioacuten
9
En la corrosioacuten seca los oacutexidos que se forman son de caraacutecter ioacutenico (cationes metaacutelicos y
aniones de oacutexido regularmente distribuidos) La estructura cristalina formada presenta
normalmente defectos reticulares (deficiencias ioacutenicas) a traveacutes de los cuales se produce la
difusioacuten de iones
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca
1232 Corrosioacuten huacutemeda
Tiene lugar cuando el material se encuentra en medios acuosos (Figura 16) Se produce
normalmente a temperatura ambiente o no muy elevada Es la maacutes extendida por cuanto afecta a
un sinfiacuten de elementos en los que el material es usado en tanques tuberiacuteas intercambiadores
precalentadores carcasas estructuras buques etc
Todos los procesos de corrosioacuten involucran transferencia de carga (iones y electrones) en
particular en el caso de corrosioacuten huacutemeda eacutesta se da a traveacutes de soluciones acuosas (electrolitos)
las cuales son eleacutectricamente conductoras En general el proceso requiere de tres etapas
1) Oxidacioacuten Los aacutetomos metaacutelicos aumentan su valencia al ceder electrones convirtieacutendose
en iones positivos los cuales pasan al electrolito
2) Transporte de carga Los electrones son transferidos al caacutetodo
3) Reduccioacuten Reaccioacuten donde se consumen los electrones generados en la oxidacioacuten
Este tipo de corrosioacuten es netamente electroquiacutemico ya que es un proceso en el que se llevan
a cabo reacciones de oxidacioacuten y de reduccioacuten de ahiacute que se conozca coacutemo proceso REDOX Cabe
mencionar que se puede favorecer una reaccioacuten u otra en caso de inclinarse por la oxidacioacuten
10
entonces se da la corrosioacuten y si es la reduccioacuten se puede proteger al metal por ejemplo con
electrodepoacutesitos
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda
124 Tipos de ataque por corrosioacuten
Es importante sentildealar que la corrosioacuten huacutemeda presenta dos tipos de ataque corrosioacuten uniforme y
corrosioacuten localizada
a) Corrosioacuten uniforme homogeacutenea o generalizada El ataque se extiende de forma
homogeacutenea sobre toda la superficie metaacutelica y por tanto la peacuterdida de material es
aproximadamente la misma en todos los puntos A este tipo de ataque se le identifica por
crecimiento 2D debido a que se desarrolla preferentemente a lo largo de la superficie Por
consiguiente es relativamente faacutecil estimar la vida uacutetil de los materiales metaacutelicos que lo
sufren
b) Corrosioacuten localizada El ataque no se distribuye de forma homogeacutenea localizaacutendose por
el contrario en determinadas zonas de la superficie metaacutelica A este tipo de ataque se le
conoce por crecimiento 3D debido a que se desarrolla de manera local dando preferencia a
la profundidad maacutes que a la superficie Dentro de este tipo de corrosioacuten existe a su vez
otra clasificacioacuten que se menciona a continuacioacuten
11
a Corrosioacuten por picadura
b Corrosioacuten por hendidura
c Corrosioacuten galvaacutenica
d Corrosioacuten intergranular
e Corrosioacuten bajo tensioacuten
f Corrosioacuten cavitacioacuten
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten
125 Celdas electroquiacutemicas
En corrosioacuten una celda es un dispositivo en el cual se producen reacciones quiacutemicas de oxidacioacuten
y reduccioacuten El aparato se integra de las siguientes partes sustancia que contiene iones (electrolito)
dos electrodos (caacutetodo y aacutenodo) y una conexioacuten eleacutectrica entre ambos electrodos
Existen dos tipos de celdas las electroliacuteticas que requieren un voltaje externo (fuente de
poder) y las electroquiacutemicas o galvaacutenicas que solamente necesitan un instrumento para registrar
voltaje Por lo cual se dice que las primeras son no espontaacuteneas y las segundas espontaacuteneas
Termodinaacutemicamente una reaccioacuten espontaacutenea presenta una energiacutea libre de Gibbs negativa y la
no espontaacutenea positiva tal como se aprecia en la Tabla 11
12
1251 Celda galvaacutenica
Una celda galvaacutenica (Figura 18) es aquella en la cual la energiacutea quiacutemica es convertida en energiacutea
eleacutectrica por medio de una reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea Esto se debe a que un metal es maacutes activo
y otro maacutes noble aacutenodo y caacutetodo respectivamente seguacuten la serie galvaacutenica por lo que al ser
conectados eleacutectricamente producen un flujo de electrones desde el caacutetodo al aacutenodo Dicho flujo
genera un potencial eleacutectrico que puede ser medido experimentalmente
Los requisitos para que se produzca un proceso de corrosioacuten en una pila galvaacutenica son los
siguientes
1 Dos superficies con distinto potencial electroacutedico
a Una de ellas que constituye al aacutenodo de la reaccioacuten al ceder electrones sufriraacute la
corrosioacuten Es decir aquiacute se lleva a cabo la reaccioacuten de oxidacioacuten Es el polo
negativo
Mdeg Mne- + ne-
b La otra que constituye el caacutetodo ganaraacute los electrones cedidos por el aacutenodo En
esta zona ocurriraacute la reaccioacuten de reduccioacuten Es el polo positivo
Mne- + ne- Mdeg
13
2 Un electrolito conductor ioacutenico que contiene los elementos caracteriacutesticos del medio
corrosivo Es justo aquiacute en el seno de la solucioacuten donde ocurre el transporte de materia
3 Una conexioacuten eleacutectricamente conductora entre el aacutenodo y el caacutetodo para que sea posible
el transporte de carga
Figura 18 Celda galvaacutenica
1252 Celda electroliacutetica
Las celdas electroliacuteticas no son espontaacuteneas por lo que debe aplicarse externamente un potencial
eleacutectrico para que funcionen Al proveer dicha energiacutea se fuerza a que una corriente eleacutectrica pase
por la celda con el fin de generar reacciones quiacutemicas de oacutexido-reduccioacuten en la superficie de los
electrodos de dicha celda Uno de los procesos maacutes conocidos es el electrodepoacutesito de metales
como cobre niacutequel o zinc Es importante puntualizar que aquiacute el aacutenodo estaraacute cargado
positivamente y el caacutetodo negativamente contrario a lo sucedido en las celdas galvaacutenicas
Las partes que conforman a la celda electroliacutetica son las siguientes
1 Electrolito Al igual que en las celdas galvaacutenicas se necesita de un conductor ioacutenico
2 Aacutenodo En este tipo de celdas el aacutenodo posee el polo positivo y aquiacute se lleva a cabo la
oxidacioacuten de la especie electroquiacutemica
3 Caacutetodo Eacuteste es el polo negativo y en eacutel se produce la reduccioacuten de la especie
electroquiacutemica
14
4 Fuente de energiacutea Es quien aplica la energiacutea necesaria para poder invertir el sentido
natural de la corriente dando lugar a una reaccioacuten quiacutemica opuesta a la que se produce
espontaacuteneamente en la pila
Figura 19 Celda electroliacutetica
13 Principios Electroquiacutemicos
131 Electrolitos
Todos los solutos que se disuelven en agua se agrupan en dos categoriacuteas electrolitos y no
electrolitos Un electrolito es una sustancia que cuando se disuelve en agua forma una disolucioacuten
capaz de conducir la electricidad Un no electrolito por lo tanto no conduce la corriente eleacutectrica
cuando se disuelve en agua
1311 Tipos de electrolitos
Los electrolitos se clasifican en fuertes y deacutebiles Los primeros son sustancias que estaacuten casi
completamente disociadas en la solucioacuten e incluyen soacutelidos ioacutenicos y aacutecidos fuertes Los uacuteltimos
poseen enlaces tan fuertes que muy difiacutecilmente se ionizan en solucioacuten permaneciendo la mayor
parte en forma de moleacuteculas las cuales no tienen la capacidad de transportar carga eleacutectrica como
lo hacen los iones Es importante mencionar que los electrolitos por buenos conductores de la
electricidad que puedan ser siempre tendraacuten menor capacidad para conducir la electricidad que los
materiales soacutelidos [17]
15
132 Ley de Ohm
Una de las maacutes importantes caracteriacutesticas eleacutectricas de un material soacutelido es la facilidad con que
transmite una corriente eleacutectrica La ley de Ohm relaciona la corriente (I) o sea el paso de carga
por unidad de tiempo con el voltaje aplicado (V) de la manera siguiente
V = IR
Donde R es la resistencia del material a traveacutes del cual pasa la corriente Las unidades de
V I y R son respectivamente voltios (V) amperios (A) y ohmios (Ω)
133 Leyes de Faraday
En electroquiacutemica es de suma importancia poder determinar la velocidad a la que ocurren las
reacciones de oacutexido-reduccioacuten cuando una corriente atraviesa una interfase soacutelido-electrolito pues
esto trae como consecuencia un transporte de materia resultado de la peacuterdida (oxidacioacuten) o
ganancia (reduccioacuten) de masa en el electrodo de trabajo
Cabe mencionar que las caracteriacutesticas superficiales del electrodo y las interacciones del
electrolito en dicha superficie son las que determinan la velocidad de reaccioacuten de un proceso
electroquiacutemico [18] Sin embargo hay tantos factores que pueden afectar directamente la velocidad
de reaccioacuten que por ello las leyes de Faraday solo son utilizables cuando el proceso controlador es
la transferencia de carga
Con las investigaciones del fiacutesico britaacutenico Michael Faraday (1791-1867) se descubrieron
las relaciones cuantitativas entre la cantidad de electricidad que pasa a traveacutes de una solucioacuten y la
cantidad de materia separada o precipitada en los electrodos Es decir con dichas expresiones es
posible calcular el transporte de materia en la interfase soacutelido-electrolito [16]
Primera Ley La masa de un ion liberado o depositado en un electrodo es proporcional a
la cantidad de electricidad que pase a traveacutes de la solucioacuten
Ec 11
16
m = 119868119905119875119860
119899119865
Donde PA es el peso atoacutemico la I la corriente en Amperes t el tiempo que pasa dicha carga
en segundos n el nuacutemero de equivalentes involucrados y F la constante de Faraday
Segunda Ley Las cantidades de sustancias liberadas o depositadas por una cantidad de
electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes Aplica cuando una misma
cantidad de electricidad atraviesa distintos electrolitos es decir cuando el proceso se lleva a cabo
en serie
1198981
1198901=
1198982
1198902
Donde m1 y m2 son las masas depositadas y e1 y e2 son los equivalentes quiacutemicos El
equivalente quiacutemico es la relacioacuten entre el peso atoacutemico y el nuacutemero de oxidacioacuten del compuesto
en cuestioacuten
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary
La ecuacioacuten de Stern-Geary establece la relacioacuten entre la densidad de corriente de corrosioacuten (icorr)
es decir la velocidad de corrosioacuten con la resistencia a la polarizacioacuten [19]
119894119888119900119903119903 = 119861
119877119875
119861 = 119887119886119887119888
2303 (119887119886 + 119887119888)
Donde ba y bc son las pendientes de Tafel anoacutedica y catoacutedica respectivamente
La constante B en la ecuacioacuten sirve para presentar una relacioacuten existente entre las
pendientes de Tafel Para que la ecuacioacuten de Stern-Geary sea aplicable es imperativo que exista
comportamiento tafeliano en el sistema electroquiacutemico
Ec 12
Ec 13
Ec 14
Ec 15
17
14 Control de la corrosioacuten
Baacutesicamente todos los meacutetodos que existen para lograr controlar la corrosioacuten de los materiales
metaacutelicos son intentos para interferir con el mecanismo de corrosioacuten de tal manera que se pueda
hacer que eacuteste sea lo maacutes ineficiente posible Dado que para que exista un proceso de corrosioacuten
debe formarse una pila o celda de corrosioacuten ademaacutes de una diferencia de potencial entre los
electrodos o zonas anoacutedicas y catoacutedicas la eliminacioacuten de alguno de los componentes esenciales
de la mencionada pila podriacutea llegar a detener el proceso [20]
En la praacutectica existen tres maneras de lograr lo anterior y enseguida se explicaraacute en queacute
consiste cada una Sin embargo es muy importante sentildealar que ninguacuten meacutetodo elimina la
corrosioacuten sino que todos disminuyen la velocidad de la reaccioacuten de oxidacioacuten ya que el metal
siempre buscaraacute la condicioacuten de miacutenima energiacutea que es la formacioacuten de oacutexidos e hidroacutexidos
141 Proteccioacuten catoacutedica
Se debe recordar que toda estructura propensa a corroerse presenta zonas catoacutedicas y anoacutedicas
siendo estas uacuteltimas aquellas aacutereas donde se lleva a cabo la corrosioacuten Pero si todas las aacutereas
anoacutedicas se pudieran convertir en catoacutedicas la estructura completa funcionariacutea como caacutetodo y la
corrosioacuten se disminuiriacutea considerablemente [21] Ese es el mecanismo de accioacuten de la proteccioacuten
catoacutedica y se puede llevar a cabo de dos maneras tal como lo muestra la Figura 110
Por corriente impresa La proteccioacuten se logra aplicando una corriente externa a partir de
un rectificador que suministra corriente continua de bajo voltaje El terminal positivo de la
fuente de corriente se conecta a un aacutenodo auxiliar (grafito por ejemplo) localizado a una
determinada distancia de la estructura a proteger y el terminal negativo se conecta a la
estructura metaacutelica
Por aacutenodos de sacrificio El metal a proteger se conecta a otro metal menos noble seguacuten
la serie galvaacutenica que actuaraacute como aacutenodo en la celda de corrosioacuten En ese caso la
estructura actuaraacute como caacutetodo y quedaraacute protegida por el ldquosacrificiordquo del aacutenodo que se
corroeraacute
18
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de sacrificio de
magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
142 Inhibidores de corrosioacuten
Los inhibidores son sustancias orgaacutenicas o inorgaacutenicas que se agregan a la solucioacuten corrosiva con
el fin de disminuir su poder de ataque y asiacute reducir la velocidad de corrosioacuten Se puede decir que
un inhibidor es un calmante de la corrosioacuten pues como ya se mencionoacute con anterioridad ninguacuten
meacutetodo la elimina en su totalidad
El comportamiento de los inhibidores puede ser muchas veces peligroso ya que en funcioacuten
de la concentracioacuten pueden jugar tanto el papel de inhibidores como de estimuladores de la
corrosioacuten [21]
Los hay de dos tipos aunque a veces se utiliza una combinacioacuten de ambos
1) Inhibidores anoacutedicos Actuacutean formando un compuesto insoluble el cual precipita en los
lugares afectados por la peacuterdida de materia evitando la reaccioacuten anoacutedica y por lo tanto
inhibe la corrosioacuten Ejemplos hidroacutexido soacutedico carbonato silicato y borato de sodio
ciertos fosfatos cromato soacutedico nitrito y benzoato de sodio etc
2) Inhibidores catoacutedicos Actuacutean sobre toda la superficie formando una capa o peliacutecula de
alta resistencia eleacutectrica la cual funciona como una barrera para la corriente de corrosioacuten
Ejemplos sulfato de zinc sulfato de magnesio bicarbonato de calcio etc
143 Recubrimientos protectores
Los recubrimientos representan la primera liacutenea en la lucha contra la corrosioacuten Los recubrimientos
sea cual fuere su tipo no mejoran las caracteriacutesticas mecaacutenicas del elemento sin embargo
preservan su resistencia e integridad Sus objetivos pueden ser variados siendo el principal aislar
la estructura del medio agresivo con el que se encuentra en contacto (agua suelo y atmoacutesfera por
lo general) aunque tambieacuten cumplen en ocasiones fines cosmeacuteticos
19
En general se emplean bajo condiciones muy amplias como puede ser exposicioacuten
atmosfeacuterica inmersioacuten en agua estructuras enterradas elementos sometidos a quiacutemicos etc Los
recubrimientos representan la uacuteltima etapa de los procesos de fabricacioacuten de cualquier pieza
sistema o equipo siendo normalmente aplicados antes del ensamble [21] Existe por lo tanto una
amplia gama de materiales que pueden ser utilizados como recubrimientos de los metales
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos
Orgaacutenicos Los recubrimientos orgaacutenicos son poliacutemeros y resinas producidas en forma
natural o sinteacutetica generalmente formulados para aplicarse como liacutequidos que se secan o
endurecen como peliacuteculas delgadas en materiales del sustrato Por ejemplo las pinturas
Inorgaacutenicos Los recubrimientos inorgaacutenicos proporcionan acabados tersos y maacutes
duraderos los maacutes usados son el vidrio y los ceraacutemicos
Metaacutelicos Los recubrimientos metaacutelicos se aplican mediante capas finas que funcionen
como aacutenodos sacrificables que puedan ser corroiacutedos en lugar del metal subyacente Por
ejemplo Niquelado cromado galvanizado electroliacutetico inmersioacuten en caliente etc
15 Galvanoplastia
La galvanoplastia es una teacutecnica que proporciona un recubrimiento metaacutelico a una estructura que
deseamos proteger El elemento adherido modifica las propiedades superficiales del material sobre
el cual se depositan promoviendo caracteriacutesticas que son imposibles de obtener en el metal base
Es un meacutetodo que se fundamenta en la electroacutelisis para asiacute cubrir un metal base con un fina
capa de otro metal ya sea cobre niacutequel cromo oro plata con el fin de embellecerlo o impartirle
resistencia a la corrosioacuten
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten
La electrodeposicioacuten puede ser de un solo metal de capas de diferentes metales o de una aleacioacuten
(por ejemplo latoacuten) Los metales maacutes utilizados para electrodepoacutesito son en orden de importancia
zinc niacutequel estantildeo y cadmio [22] Tambieacuten es usual recubrir con oro plata y platino En el caso
de aleaciones es comuacuten la aplicacioacuten de Babbitts (aleaciones Pb-Sn) Es conveniente mencionar
que la mayoriacutea de los metales se pueden depositar por eacuteste procedimiento
20
En teacuterminos simples este proceso consiste en la inmersioacuten de la parte a recubrir en un
electrolito que contenga iones del metal a depositar para asiacute proceder al paso de una corriente
directa que permita el depoacutesito en la pieza (caacutetodo) donde los iones son repuestos por la accioacuten de
la propia corriente sobre el aacutenodo
Pero iquestcoacutemo sucede realmente el fenoacutemeno de la electrodeposicioacuten A continuacioacuten se
daraacute una explicacioacuten maacutes detallada sin embargo solo las reacciones en el caacutetodo seraacuten presentadas
ya que en general las reacciones en un aacutenodo soluble seraacuten las inversas de aquellas presentes en
el caacutetodo
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre
Suponga una solucioacuten de una sal metaacutelica tal como el sulfato de cobre (Figura 111) la sal
se disocia considerablemente formando cationes cargados positivamente y aniones cargados
negativamente como ya se ha mencionado anteriormente El agua presente se disocia un poco para
formar iones hidroacutegeno e hidroxilo Todo aacutecido sulfuacuterico presente se disocia tambieacuten en iones
hidroacutegeno y en iones ya sea HSO4- o ya sea SO4
-2 La mayor parte de estos iones estaacuten hidratados
o sea que se encuentran combinados con una o maacutes moleacuteculas de agua
Cuando se aplica un potencial a dos electrodos en una solucioacuten asiacute los cationes cargados
positivamente emigran hacia el caacutetodo y los aniones negativos se mueven hacia el aacutenodo En una
solucioacuten acidificada la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es relativamente alta y la de los iones
hidroxilo es muy baja En virtud de que los iones hidroacutegeno se mueven maacutes raacutepidamente que los
iones cobre la mayor parte de la corriente es llevada hacia el caacutetodo por los iones hidroacutegeno Sin
embargo es maacutes faacutecil descargar los iones cobre asiacute que praacutecticamente toda la corriente que se usa
en el caacutetodo es para depositar cobre
21
Es difiacutecil representar el proceso implicado en el depoacutesito real de un metal sobre el sustrato
El caacutetodo se encuentra cargado negativamente o sea tiene una concentracioacuten de electrones
relativamente alta los cuales siempre aprovechan la oportunidad de combinarse con iones cargados
positivamente para asiacute formar los aacutetomos metaacutelicos
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel
El niacutequel (Ni) es un elemento quiacutemico de nuacutemero atoacutemico 28 situado en el grupo 10 de la tabla
perioacutedica de los elementos Es un metal blanco plateado duro maleable y duacutectil que puede
presentar un intenso brillo
Como elemento aleante proporciona resistencia tenacidad y proteccioacuten contra la corrosioacuten
El uso principal del niacutequel como metal es en la electrodeposicioacuten de piezas ya que funge como
protector corrosivo y de desgaste ante otros materiales que suelen ser maacutes susceptibles
ambientalmente tal como el hierro o el acero ademaacutes de embellecer la superficie El niacutequel es un
metal muy poco activo y bajo casi todas las condiciones tiende a resistir manchas y oxidacioacuten [23]
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel
Normalmente los galvanizados de niacutequel se hacen a partir de soluciones aacutecidas variando en un
rango de pH de 15 a 60 Una excepcioacuten es el uso de un bantildeo alcalino amoniacal de niacutequel con un
pH cerca de 9 [22]
A pesar de las muchas foacutermulas de bantildeos de niacutequel casi todas ellas contienen tres componentes
esenciales
Sulfato de niacutequel Constituye la principal fuente de iones niacutequel ademaacutes de controlar los
liacutemites admisibles de densidad de corriente
Cloruro de niacutequel Suministra los iones cloruros necesarios para asegurar la corrosioacuten de
los aacutenodos de niacutequel Tambieacuten es una fuente secundaria de iones niacutequel
Aacutecido boacuterico Actuacutea como agente tampoacuten y para conservar la adhesioacuten del depoacutesito de
niacutequel
A continuacioacuten se enlistan las teacutecnicas principales que se utilizan en los depoacutesitos de niacutequel
[22] Cabe mencionar que las concentraciones exactas y las condiciones de operacioacuten pueden
modificarse pero los valores que se dan pueden servir de guiacutea
22
1 Niacutequel a bantildeo friacuteo diluido
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 09 120 16
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Fluoruro de amonio NH4F 057 65 87
2 Bantildeo caliente Tipo Watts
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 04 45 6
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
pH para operacioacuten a un alto pH 45-55 a un bajo pH 15-30
Temperatura 43deg C (110 degF)
Densidad de corriente 2-7 ampdm2 (20-65 ampft2)
3 Bantildeo de alto sulfato
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 05 70 9
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Sulfato de sodio Na2SO4 10 160 22
Aacutecido boacuterico H3BO3 025 M 15 2
pH 55
Temperatura 20-30 degC (68-86 degF)
Densidad de corriente 15-30 ampdm2 (14-28 ampft2)
4 Bantildeo brillante de niacutequel-cobalto
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
23
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 038 45 6
Sulfato de cobalto CoSO4 7H2O 011 15 2
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
Sulfato de amonio (NH4)2SO4 004 25 03
Formato de niacutequel Ni(COOH)2 067 50 67
Formaldehiacutedo HCHO (40) 25 03
pH 45
Temperatura 55 degC (131 degF)
Densidad de corriente 3 ampdm2 (28 ampft2)
1522 Condiciones de operacioacuten
El caraacutecter del depoacutesito depende de varios factores incluyendo la temperatura la densidad de
corriente el pH la distancia entre los electrodos y la agitacioacuten los cuales se ajustan para producir
recubrimientos gruesos o delgados mates o brillantes suaves o duros duacutectiles o fraacutegiles [22] Cabe
mencionar que los valores oacuteptimos para cada factor variacutean de acuerdo con el tipo del bantildeo por lo
que no es posible dar cifras determinadas En su lugar se indicaraacuten los efectos sobre el caraacutecter de
los depoacutesitos obtenidos
pH La eleccioacuten de pH es regida por el tipo de bantildeo y las propiedades que se desean en el
depoacutesito En general en bantildeos de niacutequel opaco un aumento en el pH especialmente arriba de 50
produce depoacutesitos maacutes duros probablemente como resultado de mayor precipitacioacuten
Reciacuteprocamente los depoacutesitos de bajo pH seraacuten probablemente suaves
Temperatura La ventaja de aplicar altas temperaturas depende de varios factores
incluyendo (1) maacutes elevada solubilidad del niacutequel u otras sales (2) mayor conductividad (3)
reducida polarizacioacuten en ambos electrodos y (4) aumento de eficiencia en el aacutenodo y caacutetodo
Aunque de igual manera se pueden presentar ciertas desventajas (1) aumento de la tendencia a la
precipitacioacuten de impurezas (2) la propensioacuten a coagular agentes abrillantadores (3) vaporizacioacuten
excesiva (4) produccioacuten de depoacutesitos pasivos y (5) menor potencia de depoacutesito
Densidad de corriente La densidad de corriente es dependiente de los dos factores
anteriores A temperatura ambiente especialmente en bantildeos diluidos se emplean densidades de
24
corriente de 5 a 20 Aft2 (05 a 2 Adm2) En bantildeos maacutes fuertes y calientes se pueden usar
densidades de corriente hasta de 60 Aft2 (6 Adm2)
Agitacioacuten El efecto de la agitacioacuten equivale a un aumento en concentracioacuten de niacutequel y a
una disminucioacuten de pH lo que permite densidades de corriente maacutes altas Una desventaja de la
agitacioacuten raacutepida en los bantildeos de niacutequel es que con el movimiento suben a la superficie las partiacuteculas
suspendidas lo que trae consigo un depoacutesito aacutespero
Distancia entre electrodos La elaboracioacuten de recubrimientos con espesor uniforme
depende tambieacuten de la propia disposicioacuten y espacio adecuado de las piezas de trabajo aacutenodo y
caacutetodo Por lo que entre maacutes cercana esteacute la superficie a recubrir del aacutenodo mayor seraacute el espesor
del depoacutesito obtenido
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel
Las propiedades fiacutesicas del niacutequel electrodepositado son de especial intereacutes porque hay una gran
variedad de propiedades el control de las cuales de las cuales crea aplicaciones especiales del
niacutequel por ejemplo en electroformacioacuten Las siguientes propiedades son para depoacutesitos opacos de
niacutequel [22]
Dureza Esta variacutea en los diferentes depoacutesitos de niacutequel cerca de 130 a 430 HB En el bantildeo
tipo Watts se obtuvo un miacutenimo de dureza a un pH de 3 obtenieacutendose depoacutesitos maacutes duros abajo
y arriba de este liacutemite Los depoacutesitos maacutes duros se obtienen con un alto pH
Resistencia a la tensioacuten En general la resistencia a la tensioacuten es casi paralela a la dureza
y va de 56 000 a 160 000 lbplg2 (3 900 a 11 000 kgcm2)
Ductilidad La ductilidad medida por elongacioacuten es casi inversamente proporcional a la
dureza y a la resistencia a la tensioacuten
Resistividad eleacutectrica La resistividad eleacutectrica del niacutequel depositado es influenciada por el
contenido de inclusiones como el oacutexido y el cobalto Se presenta un poco en un pH 3
Composicioacuten Los depoacutesitos de niacutequel contienen oxiacutegeno e hidroacutegeno probablemente
presentes como compuestos baacutesicos del niacutequel como Ni(OH)2 El cloruro puede estar presente en
los depoacutesitos de todos los bantildeos de cloruro Estas inclusiones indudablemente tienen influencia en
la dureza y resistencia a la tensioacuten
25
1524 Niquelado en diferentes metales base
Debido a que el niacutequel es el maacutes extensamente aplicado a numerosos metales base solo algunos
ciclos empleados seraacuten considerados en esta seccioacuten [22]
Niquelado en acero El niacutequel puede ser depositado directamente sobre acero o sobre una
capa delgada o gruesa de cobre Debido a numerosas pruebas de corrosioacuten y a lo demostrado por
la experiencia se sabe que las capas de cobre ejercen menos proteccioacuten que una densidad igual de
niacutequel por lo tanto la tendencia actual es eliminar el cobre
Niquelado en hierro vaciado La dificultad de galvanizar sobre hierro vaciado estaacute
indudablemente asociada con la presencia de carbono liberado o grafito en el hierro Si eacuteste
permanece parcialmente embebido el niacutequel no se deposita tan faacutecilmente sobre el carboacuten o
carburos como en los cristales de hierro Por ello se utiliza una capa de cobre ya que mejora la
adhesioacuten del niacutequel al hierro vaciado La limpieza catoacutedica en caacuteustico fundido es algunas veces
efectiva y la saturacioacuten en aacutecido fluorhiacutedrico puede ayudar Por buena que sea la adhesioacuten del
niacutequel al hierro vaciado no es tan buena como en el acero
Niquelado en cobre y latoacuten La praacutectica maacutes comuacuten es aplicar el niacutequel directamente al
cobre o latoacuten seguido por la acostumbrada capa de cromo Ha sido demostrado concluyentemente
que las capas de cromo aplicadas directamente al latoacuten dan menos proteccioacuten contra la corrosioacuten
que cuando se aplica primero una capa de niacutequel
Niquelado en zinc y vaciados con base de zinc Se ha confirmado por muchas pruebas que
las capas adherentes de niacutequel pueden ser aplicadas directamente a troquelados de zinc usando un
alto-sulfato en bantildeo de niacutequel El principio de este bantildeo es la adicioacuten de suficiente sulfato de sodio
para reducir la actividad del ion niacutequel y aumentar la polarizacioacuten del caacutetodo De este modo se
evita que el zinc pase a la solucioacuten precipitando niacutequel oscuro Este bantildeo de alto sulfato de niacutequel
tiene una excelente conductividad y potencia de depoacutesito
Niquelado en magnesio El galvanizado de niacutequel u otros metales en magnesio o sus
aleaciones se hace difiacutecilmente por la alta actividad del magnesio y su consecuente tendencia a
depositar niacutequel u otros metales pesados por inmersioacuten Debido a la gran diferencia de potenciales
de solucioacuten del magnesio y de metales como el cobre niacutequel o cromo eacutestos pueden galvanizarse
sobre el magnesio cuya corrosioacuten se acelera raacutepidamente si hay algunos poros o discontinuidad en
26
los recubrimientos Mientas no se pueda demostrar que pueden producirse y mantenerse
recubrimientos electroliacuteticos casi impenetrables en el magnesio y sus aleaciones es de dudarse que
estos galvanizados puedan tener una aplicacioacuten industrial
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de materiales consiste en la obtencioacuten de informacioacuten acerca de un material
bajo estudio (composicioacuten estructura morfologiacutea y otras propiedades) a partir de la interaccioacuten de
una sentildeal (eleacutectrica luminosa teacutermica etc) con una porcioacuten de dicho material Por tanto toda
caracterizacioacuten de un material supone una agresioacuten es decir una perturbacioacuten del mismo El
estudio de la respuesta del material a dicha perturbacioacuten tiene la finalidad de dar a conocer las
propiedades del mismo para asiacute predecir si seraacute uacutetil o no en una determinada aplicacioacuten
Se puede asegurar que la ayuda de las nuevas teacutecnicas de caracterizacioacuten y anaacutelisis ha sido
indispensable en el disentildeo siacutentesis y procesado de estos materiales permitiendo un cuidadoso
control de sus propiedades e incluso en muchos casos con la posibilidad de fijar de antemano
alguna de sus caracteriacutesticas
161 Dureza
La dureza es una propiedad de los materiales soacutelidos y se define como la resistencia que oponen
estos materiales a ser deformados Una buena dureza significa generalmente que el material es
resistente al rayado y al desgaste [23]
1611 Ensayo de dureza Vickers
Este ensayo usa un indentador en forma de piraacutemide hecho de diamante Figura 112 (a) El ensayo
se basa en el principio de que las impresiones hechas por este indentador tienen geometriacuteas
similares independientemente de la carga aplicada En consecuencia se aplican varias cargas
dependiendo de la dureza del material a ensayar [24] la dureza Vickers se determina entonces con
la foacutermula
HV = 1854 119865
1198632
Donde F es la fuerza aplicada en kgf y D es la diagonal de la impresioacuten hecha por el
indentador en mm El ensayo Vickers puede usarse para todos los metales porque cuenta con una
de las escalas maacutes amplias entre los ensayos de dureza
Ec 16
27
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante un ensayo de dureza
162 Rugosidad
El acabado superficial de los cuerpos puede presentar errores de forma macro y micro geomeacutetricos
auacuten las superficies consideradas como ldquomuy lisasrdquo muestran cuando son analizadas a escala
sumamente fina una compleja diversidad de particularidades geomeacutetricas [25] Por lo tanto la
rugosidad es el conjunto de irregularidades en una superficie real
1621 El perfiloacutemetro
El rugosiacutemetro o perfiloacutemetro es por mucho el equipo maacutes utilizado en la industria para medir la
rugosidad de componentes comunes El principio de operacioacuten de este equipo es simple una fina
punta en contacto con la superficie a analizar realiza un barrido controlado en liacutenea recta y las
variaciones de alturas se convierten en sentildeales eleacutectricas que son debidamente registradas
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro
28
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB)
En el microscopio electroacutenico de barrido se construyen imaacutegenes aprovechando la emisioacuten de
electrones (electrones secundarios) de una muestra cuando sobre ella incide un haz enfocado de
electrones de alta energiacutea La muestra tambieacuten emite rayos X los cuales pueden ser analizados para
obtener informacioacuten sobre la composicioacuten del material [26] Cada sentildeal del MEB es captada con
un detector apropiado
Los electrones emitidos por la interaccioacuten del haz incidente y la muestra son colectados por
los correspondientes detectores para producir una sentildeal eleacutectrica la cual se utiliza para modular la
intensidad de un haz de electrones que incide en la pantalla de un tubo de rayos catoacutedicos (TRC)
de manera que mediante un barrido sincronizado del haz incidente en la superficie de una muestra
y del haz incidente en la pantalla del TRC se produce la imagen de la muestra [26]
La emisioacuten de electrones y de rayos X de la muestra se origina por las colisiones de
electrones del haz incidente con electrones de los aacutetomos del material de la probeta tal como se
puede observar en la Figura 114
Algunas colisiones son elaacutesticas de modo que algunos electrones del haz primario pueden
salir de la superficie de la muestra sin una significativa peacuterdida de energiacutea estos son los llamados
electrones reflejados Pero la mayoriacutea de las colisiones son inelaacutesticas y entre otros efectos
originan emisioacuten de electrones de baja energiacutea conocidos como electrones secundarios
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y fotones por la
interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
29
1631 Componentes baacutesicos del MEB
Cantildeoacuten de electrones que produce un haz con energiacutea entre 5 keV y 30 keV con un diaacutemetro
efectivo entre 01 microm y 10 microm
Lentes electromagneacuteticas condensadoras que reducen el diaacutemetro del haz de manera que en
la superficie de la muestra se tiene un diaacutemetro apropiado al aumento de la imagen
Apertura final la cual controla la divergencia del haz incidente en la muestra
Una lente objetivo que enfoca el haz en la superficie de la muestra
Sistema de barrido el cual permite la construccioacuten de la imagen en la pantalla del TRC por
el barrido del haz en la superficie de la muestra
Detectores de sentildeales emitidas por la muestra (Electrones secundarios electrones
reflejados rayos X etc)
Tubo de rayos catoacutedicos para presentacioacuten de la imagen
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica es una teacutecnica relativamente nueva que permite obtener
imaacutegenes de superficies a escala molecular [27] El microscopio consta esencialmente de una punta
de Si3N4 montada sobre un fleje Con esta punta se realiza un barrido sobre la superficie de la
muestra la cual se situacutea sobre un escaacutener piezoeleacutectrico El funcionamiento del microscopio se
basa en el control por un ordenador de la fuerza ejercida por la punta durante el barrido (Ver Figura
30
116) En el modo denominado de contacto la fuerza punta-muestra se mantiene constante
mediante un sistema de retroalimentacioacuten basado en los siguientes puntos
1) La variacioacuten de la fuerza punta-muestra se traduce en movimientos verticales y horizontales
del fleje que hacen variar la direccioacuten de un rayo laacuteser incidente sobre eacutel Estos cambios en
la direccioacuten del laacuteser son recogidos por un fotodetector y analizados por un ordenador
2) Los aumentos o disminuciones de fuerza son compensados por el ordenador que enviacutea una
sentildeal al piezoeleacutectrico para que acerque o aleje la muestra a la punta
3) Tanto las variaciones del haz luminoso como los movimientos controlados del
piezoeleacutectrico son convertidos por el ordenador en un mapa topograacutefico de la superficie
Figura 116 Funcionamiento de un MFA
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX)
El meacutetodo de difraccioacuten por rayos X es una herramienta poderosa para investigar la disposicioacuten
ordenada de los aacutetomos o moleacuteculas por medio de la interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica
para producir efectos de interferencia con estructuras comparables en tamantildeo a la longitud de onda
de la radiacioacuten
31
Al igual que con los tipos de radiacioacuten electromagneacutetica la interaccioacuten entre el vector
eleacutectrico de la radiacioacuten X y los electrones de la materia que atraviesa da lugar a una dispersioacuten
Cuando los rayos X son dispersados por el entorno ordenado de un cristal tienen lugar
interferencias (constructivas y destructivas) entre los rayos dispersados ya que las distancias entre
los centros de dispersioacuten son del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la radiacioacuten
La teacutecnica de difraccioacuten de rayos X aplicada al estudio de materiales permite obtener
informacioacuten importante sobre distintos aspectos de los mismos Para recubrimientos [28] eacutesta
teacutecnica es imprescindible para determinar
Tipo de estructura (FCC HCP etc)
Esfuerzos residuales
Microdeformaciones
Tamantildeo de grano
Fases presentes
Proporcioacuten relativa de las fases
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X
El fenoacutemeno de difraccioacuten es la interferencia entre las ondas que se genera cuando hay un objeto
en su trayecto Para comprender mejor esto supoacutengase dos planos reticulares 1 y 2 tal como en la
Figura 117 de un cristal con una distancia d entre ambos converge un haz de rayos X procedente
de A con un aacutengulo de incidencia θ este haz en parte se refleja sobre el primer plano hacia F y
en parte atraviesa y se refleja sobre el plano 2 hacia F3 y asiacute sucesivamente sobre los otros planos
[29]
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X
32
En el punto D se sobrepone un rayo reflejado por el primer plano reticular y el otro del
segundo cuya diferencia de camino despueacutes de la reflexioacuten es CD-ED Si tal diferencia es un
muacuteltiplo entero n de la longitud de onda λ de la radiacioacuten X los dos rayos en D estaraacuten en
concordancia de fase y sobreponieacutendose aumentaraacute su intensidad
Por el contrario si estaacuten en discordancia tenderaacuten a anularse Para que se verifique esta
condicioacuten es necesario que las magnitudes λ d θ y n satisfagan la relacioacuten de la Ley de Bragg
nλ = 2 d sen θ
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP)
La teacutecnica electroquiacutemica llamada Resistencia a la Polarizacioacuten es el resultado de la aproximacioacuten
de bajo campo a la ecuacioacuten de Butler-Volmer y por este motivo se debe aplicar solamente cuando
exista control activacional o por transferencia de carga
Los materiales que son susceptibles de ser evaluados mediante la aplicacioacuten de la RP deben
estar inmersos en electrolitos conductores es decir que la resistividad de las soluciones no sea alta
y deben encontrarse libres de peliacuteculas resistivas
1661 Procedimiento experimental
Para realizar un estudio experimental de Resistencia a la Polarizacioacuten lo mejor es acudir a la norma
ASTM G 59-91 [32] En general los pasos a seguir de acuerdo a la norma son los siguientes
Usar un puente salino que acerque el electrodo de referencia a 2 o 3 mm de la superficie
del electrodo de trabajo
Registrar el potencial de corrosioacuten despueacutes de 5 minutos
Aplicar un potencial 30 mV maacutes negativo que el potencial registrado
Un minuto despueacutes de que se aplique el potencial se inicia un barrido con direccioacuten anoacutedica
a 06 Vh (10 mVmin) registrando el potencial y la corriente continuamente
Terminar el barrido cuando se alcanza un valor de 30 mV positivo que el potencial de
corrosioacuten
Graficar la curva de polarizacioacuten
Determinar graacuteficamente la resistencia a la polarizacioacuten como la tangente a la curva en el
origen de la graacutefica
Ec 17
33
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE)
La teacutecnica de Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica es un meacutetodo electroquiacutemico
utilizado en estudios de corrosioacuten el cual se basa en el uso de una sentildeal de corriente alterna (CA)
que es aplicada a un electrodo (metal en corrosioacuten) y determinando la respuesta correspondiente
En el procedimiento experimental comuacutenmente utilizado se aplica una sentildeal sinusoidal de
voltaje y se mide su respuesta en corriente a diferentes frecuencias aunque es posible aplicar una
pequentildea cantidad de corriente y medir la respuesta del potencial El voltaje la corriente y la
frecuencia son relacionadas por la impedancia en una forma anaacuteloga a la ley de Ohm
V = IZ
Donde Z es la impedancia del circuito A diferencia de la resistencia la impedancia de un
circuito puede depender de la frecuencia aplicada
Cuando se aplica una sentildeal de CA incluso en un sistema de corrosioacuten sencillo se comporta
de manera maacutes complicada que una sola resistencia Pues existe tambieacuten una capacitancia la de la
doble capa electroquiacutemica (Cdl) que es debida a la carga de las especies existentes en la interfase
metal-electrolito y que se encuentra presente en todos los sistemas corrosivos Ademaacutes estaacute la
resistencia de la solucioacuten (Rs) para que se le permita La combinacioacuten de estos tres componentes
proporciona un circuito equivalente simple para un metal que se corroe Dicho circuito es una
combinacioacuten de elementos eleacutectricos tales como resistores y capacitores lo que da la misma
respuesta a sentildeales eleacutectricas como el metal real que se corroe [30] El circuito simple descrito
anteriormente se muestra en la Figura 118
Figura 118 Circuito equivalente simple
Los espectros de impedancia se pueden utilizar para identificar y cuantificar las
capacitancias en el sistema y para separar diferentes resistencias por ejemplo la resistencia de la
solucioacuten y la resistencia a la polarizacioacuten A altas frecuencias la resistencia de la solucioacuten se puede
cuantificar A frecuencias maacutes bajas los diferentes tipos de procesos se producen en diferentes
Ec 18
34
escalas de tiempo (en diferentes frecuencias) y puede ser posible identificar los procesos de
difusioacuten o los fenoacutemenos de adsorcioacuten y desorcioacuten [3031]
1671 Representaciones graacuteficas
Solamente existen dos maneras de representar los valores experimentales de la espectroscopia de
impedancia electroquiacutemica
1 Diagramas de Nyquist Tipo de representacioacuten maacutes comuacuten que consiste en graficar los
valores de la impedancia real frente a los de la impedancia imaginaria Estos diagramas
permiten identificar la resistencia del electrolito la resistencia a la transferencia de carga y
la resistencia a la polarizacioacuten [3031] en la mayor parte de los casos La Figura 119
muestra un ejemplo de este tipo de diagramas
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist
2 Diagramas de Bode En este tipo de representaciones se pueden obtener dos diagramas el
moacutedulo de la impedancia y el aacutengulo de fase (Figura 120) Tambieacuten en funcioacuten de la parte
real o la imaginaria pero en escala logariacutetmica Ambos graacuteficos son particularmente uacutetiles
cuando existen constantes de tiempo con valores muy proacuteximos que no se pueden distinguir
en los diagramas de Nyquist
35
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b) Moacutedulo de
impedancia
1672 Ecuacioacuten de Brug
Como bien se sabe el objetivo de los experimentos de EIS es a menudo extraer la capacitancia de
las peliacuteculas (posiblemente como una funcioacuten del potencial aplicado) y por lo tanto para obtener
informacioacuten sobre las propiedades dieleacutectricassemi-conductoras de dichas peliacuteculas Sin embargo
en diversos sistemas la estimacioacuten de la capacitancia es difiacutecil debido a que un comportamiento
de elemento de fase constante (CPE) se observa en lugar de un comportamiento capacitivo
Brug [33] propuso una foacutermula (Ec 19) que relaciona la resistencia del electrolito (Re) y
la resistencia a la transferencia de carga (Rtc) donde es posible calcular la capacitancia contenida
en el CPE
119862 = 1198761
120572[119877119890minus1 + 119877119905119888minus1]1minus120572
120572
Donde C es la capacitancia Q es el factor de Brug Re es la resistencia del electrolito Rtc
es la resistencia a la transferencia de carga y α es la pendiente de la impedancia calculada a bajas
frecuencias
Ec 19
36
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental
21 Preparacioacuten superficial de muestras
A partir de una laacutemina de acero 1018 de 150 x 1 m se cortaron 48 placas de 10 x 2 cm cada una
con una cizalla ya que se necesitaba que cada muestra fuera perfectamente paralela para el proceso
de electrodeposicioacuten
Las placas de acero presentaban una capa de oacutexido por lo que se siguioacute la norma ASTM
G1 [34] para decapar cada muestra durante 10 minutos en HCl al 50 (Ver figura 21) para
posteriormente lavarse con agua potable y asiacute pasar al lijado con granulometriacutea 180 240 320 400
y 600 Seguido de un lavado con agua destilada para eliminar residuos de material removido y
finalizando con un bantildeo de acetona para retirar cualquier resto de humedad y grasa
Figura 21 Decapado de muestras
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos
Para los electrodepoacutesitos con influencia de un campo magneacutetico se utilizaron dos imanes de
neodimio sin embargo no teniacutean sentildealizacioacuten alguna para diferenciar sus polos ni se conociacutea el
valor del campo Entonces se utilizoacute una bruacutejula para determinar el norte y sur de cada imaacuten asiacute
como se aprecia en la Figura 22
37
Figura 22 Determinacioacuten de los polos
Y el campo magneacutetico se midioacute con un gausiacutemetro Marca RFL modelo 91 (Figura 23)
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico
23 Preparacioacuten del electrolito
Para el proceso de electrodeposicioacuten se empleoacute un bantildeo Watts estaacutendar [35] cuya composicioacuten se
presenta en la Tabla 21
38
Para la deposicioacuten electroliacutetica sin campo se preparoacute un litro de solucioacuten y para la que teniacutea
influencia de campo magneacutetico se hicieron dos litros
24 Obtencioacuten de recubrimientos
Para las electrodeposiciones se utilizoacute una fuente de poder marca Good Will Instrumets modelo
GPR-3510HD En cuya terminal negativa se conectoacute el caacutetodo (acero 1018) y en la positiva el
aacutenodo (niacutequel soacutelido Figura 24) Ambos electrodos se colocaron paralelamente cara con cara
Figura 24 Rondelas de niacutequel
Los electrodepoacutesitos de niacutequel sobre acero 1018 con y sin influencia de campo magneacutetico
se llevaron a cabo a voltaje constante siendo eacuteste de 4 V midiendo la corriente resultante al
finalizar el proceso las muestras se lavaron con agua destilada y se dejaron secar al ambiente Se
realizaron seis condiciones diferentes tal como lo muestra la Tabla 22
En el caso de los electrodepoacutesitos en presencia de campo magneacutetico se utilizaron dos
imanes de Neodimio (Valor fluctuante de 15 a 34 T) los cuales se instalaron en la cuba
electroliacutetica el polo norte cerca del aacutenodo y el polo sur del caacutetodo tal como lo muestra la Figura
25
39
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con imanes de
neodimio
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos
Las muestras electrodepositadas con y sin presencia de campo magneacutetico se fijaron a una celda
de acriacutelico con un aacuterea de exposicioacuten de 133 cm2 en dicha celda se vertioacute una solucioacuten de NaCl
al 3 en peso se colocoacute una tapa y se introdujeron un electrodo de referencia de AgAgCl y un
contra-electrodo de grafito Dicha celda se conectoacute a un potenciostato marca Bio-logic modelo
SP-150 controlado mediante una computadora de escritorio con su respectivo software El
dispositivo utilizado para las pruebas se puede ver en la Figura 26a
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el electrodo de
referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo (ET)
40
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
Se utilizoacute la teacutecnica de RP en modo potenciodinaacutemico en un intervalo de plusmn 20 mVEcorr a una
velocidad de barrido de 01667 mVs haciendo la respectiva curva de polarizacioacuten mediante la
computadora Previo a esto el electrodo de trabajo se dejoacute estabilizar en el electrolito (NaCl al 3
peso) durante 30 minutos
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica
Al teacutermino de la medicioacuten de la RP el electrodo de trabajo se dejoacute a circuito abierto durante 15
minutos Posteriormente se utilizoacute la teacutecnica EIE en un intervalo de frecuencias de 50 kHz a 50
mHz a 7 puntos por deacutecada y 10 mV de perturbacioacuten
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos
Para la caracterizacioacuten superficial las placas se cortaron en una maacutequina dobladora a una medida
de 2 x 2 cm para asiacute poder ingresar a ciertos equipos Se eligioacute una muestra de cada condicioacuten
tanto con y sin influencia de campo magneacutetico
261 Dureza
Los estudios de dureza fueron obtenidos con un microduroacutemetro de Vickers marca
Mitutoyo Colocando las placas en el portamuestras del microscopio se hizo incidir el indentador
de diamante aplicando una carga de 10 kgf durante 20 s para un acero suave [36] Este
procedimiento se realizoacute 5 veces por muestra para obtener un promedio de dureza
262 Rugosidad
Se utilizoacute un rugosiacutemetro marca Mitutoyo modelo Surftest-402 Las muestras se colocaron
en una superficie plana y sobre ella se situoacute el palpador con punta coacutenica tal como lo muestra la
Figura 27 posteriormente se calibroacute dicha punta y entonces el equipo realizoacute un pequentildeo recorrido
sobre la superficie con el que determinoacute la rugosidad de cada muestra en microm
41
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido
Para esta caracterizacioacuten de las placas se utilizoacute el Microscopio Electroacutenico de Barrido de
alto-bajo vaciacuteo Jeol JSM 6610LV con un voltaje de 20 kV y una distancia de trabajo de 10 mm
Las placas se colocaron en un portamuestras (Figura 28) y se analizaron a alto vaciacuteo Las imaacutegenes
se formaron con una sentildeal de electrones secundarios a 500 1000 y 5000X
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
Se utilizoacute un Microscopio de Fuerza Atoacutemica marca Asylum Research modelo Cypher que cuenta
con una punta de silicio que tiene una constante de 2 Nm (conforme se va desgastando va
disminuyendo su valor)
Para las muestras sin influencia de campo magneacutetico se utilizoacute el modo contacto es decir
la fuerza entre la punta y la muestra son constantes En el caso de las muestras con influencia de
campo magneacutetico que mostraron una superficie menos rugosa y maacutes faacutecil de medir
topograacuteficamente se usoacute el modo no contacto por lo que la punta no tocaba la muestra sino que
42
oscilaba a una distancia de entre 1 y 10 nm Todas las imaacutegenes se obtuvieron en un aacuterea de 10 x
10 microm a una velocidad de barrido de 10 Hz escaneando 512 liacuteneas generadas por 512 puntos en
zonas especiacuteficas
265 Difraccioacuten de rayos X
Para esta caracterizacioacuten se utilizoacute un difractoacutemetro de rayos X marca Siemens modelo D5000
Las condiciones de operacioacuten fueron las siguientes velocidad de barrido de 05 s incrementos de
0035cps 35 kV y 25 mA El intervalo de aacutengulo seleccionado fue 2θ = 30 a 120deg que es el
rango donde aparecen la mayoriacutea de los picos caracteriacutesticos del niacutequel [37]
43
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten
Para una mejor comprensioacuten de los resultados eacutestos se presentan de manera comparativa en
funcioacuten del tiempo de electrodeposicioacuten con y sin campo magneacutetico analizando dichos
recubrimientos con las teacutecnicas electroquiacutemicas planteadas en el capiacutetulo de metodologiacutea
experimental tambieacuten se realizaron anaacutelisis del comportamiento de las propiedades fiacutesicas tales
como dureza rugosidad y espesor para determinar la influencia del campo magneacutetico durante la
electrodeposicioacuten de niacutequel
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos
La Figura 31b muestra las reacciones que se llevaron a cabo en el proceso de electrodeposicioacuten
Como ya se sabe en el aacutenodo se lleva a cabo la oxidacioacuten del niacutequel y en el caacutetodo la reduccioacuten
del mismo Sin embargo en el caacutetodo tambieacuten se lleva a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten del
hidroacutegeno ya que el medio usado para la electrodeposicioacuten es aacutecido (pH = 3) por ello la eficiencia
en el caacutetodo no es del 100
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni
311 Caacutelculo de masa depositada
Para conocer la masa de Ni depositada en el acero 1018 se realizaron mediciones de peso antes y
despueacutes de que las placas fueran sometidas al proceso de electrodeposicioacuten Sin embargo como el
aacuterea de electrodepoacutesito no es la misma en todas las placas se compara la masa depositada por
centiacutemetro cuadrado tal como lo muestra la Tabla 31
44
En la tabla 31 se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten de
niacutequel la masa por unidad de aacuterea aumenta Esto se cumple para ambas temperaturas (30degC y 60degC)
y ambas condiciones (sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico) sin embargo se demostraraacute
maacutes adelante que el aumento de masa no es garantiacutea de una reduccioacuten de la velocidad de corrosioacuten
(Grafico 31) Es importante sentildealar que tanto a 30degC como a 60degC la masa de niacutequel disminuye
cuando se utiliza el campo mageacutentico sin embargo a 30degC esto no se cumple debido a que hay un
aumento de masa
312 Eficiencia en corriente
Es importante mencionar que en todos los electrodepoacutesitos la corriente final era menor que la
inicial Dicha caiacuteda de corriente se debioacute a la formacioacuten de una capa de oacutexido en el aacutenodo Figura
32 lo que ocasionoacute una disminucioacuten en la entrega de cationes (Ni2+) a la solucioacuten
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido
La eficiencia en corriente se evaluoacute con la foacutermula del Anexo 1-A y se tomoacute el valor de la
corriente inicial para dicho caacutelculo Los resultados se muestran en la Tabla 32 Mientras que
Ferreira y Colnago [12] reportaron obtener eficiencias del doble para sus peliacuteculas de cobre en
45
este caso se puede notar que la presencia del campo magneacutetico provoca una disminucioacuten en el
rendimiento del sistema
La fuente de poder se debe regular para poder otorgar los 4 V que el proceso de
electrodeposicioacuten requiere y desde el momento en que se enciende el aparato empieza a mandar
corriente Por ello ciertas eficiencias sobrepasan el 100 pues el tiempo de ajuste se excedioacute maacutes
de 50 segundos
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
En la Figura 33 se observan los resultados de la resistencia a la polarizacioacuten en funcioacuten de la
temperatura y del tiempo de exposicioacuten A 60degC se observa que el campo magneacutetico provoca una
disminucioacuten de la resistencia a la polarizacioacuten para los diferentes tiempos de electrodepoacutesito
realizados lo cual se traduce en un aumento de la velocidad de corrosioacuten de acuerdo con la
ecuacioacuten de Stern y Geary (Ec 14) Este efecto de disminucioacuten de la Rp tambieacuten se observa en
los datos a 30degC con excepcioacuten del tiempo 7 minutos
46
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal
En la Tabla 33 se presentan las variaciones de icorr y Vcorr sin campo magneacutetico y en
presencia de campo magneacutetico a 30deg y 60deg en funcioacuten del tiempo de electrodepoacutesito
En la Graacutefica 31 se puede observar que a 60degC con mayor tiempo de electrodeposicioacuten de
Ni disminuye la Vcorr Sin embargo se puede notar que con la presencia del campo las velocidades
de corrosioacuten son mayores pero respetando la tendencia antes mencionada
60degC17min CM
60degC17min SC
60degC12min CM
60degC12min SC
60degC7min CM
60degC7min SC
30degC17min CM
30degC17min SC
30degC12min CM
30degC12min SC
30degC7min CM
30degC7min SC
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Rp (Ohm cm2)
47
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de electrodeposicioacuten
La tabla 34 muestra los valores de Ecorr para ambas temperaturas (30degC y 60degC) y en las
dos condiciones ensayadas (sin campo y con campo) Sin campo magneacutetico y con excepcioacuten de
30degC y 17 min se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten el Ecorr se
desplaza hacia valores menos negativos al mismo tiempo que la Vcorr disminuye (Tabla 33) De
acuerdo con la Teoriacutea de Potencial Mixto explicada por Evans el sistema se encuentra bajo un
control tipo anoacutedico es decir que la reaccioacuten de oxidacioacuten de niacutequel se desplaza para dar un Ecorr
menos negativo al mismo tiempo que reduce la Vcorr
1198731198942+ + 2119890minus harr 119873119894deg
Sin embargo a 30degC y 17 min el sistema se encuentra bajo control catoacutedico debido a que
persiste la disminucioacuten de Vcorr ahora con un cambio en el potencial hacia valores maacutes negativos
Al comparar los valores de Ecorr sin campo magneacutetico con los de campo magneacutetico se observa que
para la temperatura 60degC los valores de Ecorr se desplazan hacia valores maacutes electronegativos
Como se discutioacute anteriormente esto se debe a un control cineacutetico tipo anoacutedico Cuando se
considera la temperatura de 30degC se observa un desplazamiento hacia valores menos negativos es
7min 12min 17min
000
002
004
006
008
010
Vco
rr (
mm
an
o)
Tiempo de electrodeposicion
60degC Sin campo
60degC Con campo
30degC Sin campo
30degC Con campo
48
decir la cineacutetica estaacute controlada por la reaccioacuten catoacutedica Diversos trabajos reportan este mismo
efecto en donde el campo magneacutetico tiene un efecto sobre la reaccioacuten de reduccioacuten de oxiacutegeno
1198742 + 21198672119874 + 4119890minus harr 4119874119867minus
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica
Como se mencionoacute previamente en el apartado 167 referente a la teacutecnica de impedancia
mediante esta teacutecnica es posible evidenciar y cuantificar el efecto que tiene la capacitancia de una
interface electroquiacutemica y asiacute proporcionar informacioacuten complementaria al estudio de corrosioacuten
Las graacuteficas 32 33 y 34 correspondientes a los diagramas de Nyquist obtenidos en los
tres diferentes tiempos de electrodeposicioacuten a 60degC con y sin influencia de campo magneacutetico
Revelan en los tres casos que el campo magneacutetico disminuye la resistencia a la transferencia de
carga (Rtc) es decir el proceso de corrosioacuten se ve favorecido tal como se pudo mostrar en los
resultados de resistencia a la polarizacioacuten De igual manera se observa una disminucioacuten en la
resistencia del electrolito (Rs) esto debido a la fuerza convectiva (visible) que ejerce el campo
magneacutetico en el electrolito el cual provoca una mejor difusioacuten de los iones dicha informacioacuten es
consistente a lo reportado por Calivar e Ispas [67]
49
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
500
1000
1500
2000 50 mHz
60degC 7min SC
60degC 7min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
1000
2000
3000
50 mHz
60degC 12min SC
60degC 12min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
50 kHz
50 mHz
Re(Z) (Ohm cm2)
50
Graacutefica 34 EIE de 60degC 17min
34 Dureza Rugosidad y Espesor
La Tabla 35 muestra que la aplicacioacuten de un campo magneacutetico durante el proceso de
electrodeposicioacuten de niacutequel provoca que la dureza disminuya lo que significa que el recubrimiento
es menos susceptible a fracturarse este resultado es similar a lo reportado por Zielinski [11] y la
disminucioacuten de fracturas en sus peliacuteculas de Co-W ante la presencia de un campo magneacutetico
Tambieacuten es importante sentildealar que la rugosidad de cada niquelado presentoacute un
empobrecimiento lo que significa que el campo magneacutetico ayuda a obtener recubrimientos maacutes
uniformes
0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000
0
3000
6000
9000
12000
15000
18000 50 mHz
60degC 17min SC
60degC 17min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
51
Los espesores fueron calculados mediante la foacutermula que aparece en el Anexo 1-B y se
puede notar que eacuteste decrece ante la presencia del campo magneacutetico Esto se puede constatar de
igual forma a partir de los datos de impedancia los cuales permitieron calcular los valores de
capacitancia a partir de la ecuacioacuten de Brug (Ec 19) cuyos resultados se muestran en la Tabla
36
Como se puede observar los valores de capacitancia con el campo magneacutetico son mayores
en un orden de magnitud que aquellos donde no existe el campo permitiendo confirmar que el
espesor maacutes delgado se encuentra con la influencia del campo
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
A continuacioacuten se muestran las imaacutegenes topograacuteficas obtenidas en el MFA Con lo cual se puede
corroborar que ocurre una disminucioacuten en la rugosidad de las peliacuteculas de niacutequel con presencia de
campo magneacutetico
52
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC-7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC-12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC-17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
36 Difraccioacuten de Rayos X
Los patrones de difraccioacuten de los recubrimientos de Ni en acero 1018 Figura 37 se caracterizan
por la presencia de los planos de la estructura cuacutebica centrada en las caras de acuerdo al PDF 03-
065-4899 [32] Esta fase cristalina estuvo presente en todos los recubrimientos
De acuerdo con lo reportado por Hu [33] la energiacutea de activacioacuten para la evolucioacuten de
hidroacutegeno es mayor en el plano (111) que en el plano (200) del Ni Dicho de otra manera en el
53
plano (200) habraacute maacutes produccioacuten de hidroacutegeno gaseoso durante el proceso de electrodeposicioacuten
de niacutequel lo que trae consigo posiblemente recubrimientos porosos
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia de campo
magneacutetico
Para los depoacutesitos en presencia de campo magneacutetico a 7 y 12min se observa una orientacioacuten
preferencial en el plano (200) sin embargo el pico a 7min es mucho mayor que el de 12
comparando estos resultados con las pruebas electroquiacutemicas y de acuerdo a los reportado por Hu
[33] esto nos lleva a suponer que en este caso el recubrimiento es maacutes poroso y delgado de acuerdo
a las medidas de espesor (Tabla 35) Para el caso de 17min con campo magneacutetico se tiene una
orientacioacuten preferencial en el plano (111) esta muestra tiene un mejor comportamiento
electroquiacutemico de acuerdo a la Figura 33 ademaacutes de acuerdo a lo reportado por Hu [33] nos lleva
a deducir que este recubrimiento es el menos poroso de los tres con campo magneacutetico Lo anterior
explica por queacute la velocidad de corrosioacuten es mayor a 7min y va disminuyendo conforme aumenta
el tiempo de electrodeposicioacuten Y tambieacuten revela la causa por la que el potencial de corrosioacuten es
maacutes negativo en presencia del campo magneacutetico La porosidad tambieacuten nos explica la razoacuten por la
cual la dureza de los recubrimientos hechos en presencia del campo magneacutetico disminuye con
respecto a aquellos realizados en ausencia del mismo
40 45 50 55 600
4000
8000
12000
16000
20000
17min SC
17min CM
12 min CM
12 min SC
7min CM
Inte
nsid
ad
(U
A)
2 (grados)
60degC-7min SC
60degC-12min SC
60degC-17min SC
60degC-7min CM
60degC-12min CM
60degC-17min CM
Ni
7min SC
(111) (200)
54
La existencia de los poros en el recubrimiento propicia un par galvaacutenico Figura 38 entre
el niquelado electroliacutetico y el acero 1018 ya que este uacuteltimo es maacutes electronegativo por
consiguiente maacutes propenso a la corrosioacuten Tambieacuten estaacute el efecto de las diferencias de aacutereas entre
aacutenodo (acero) y caacutetodo (niquelado) siendo en este caso el caacutetodo quien posee mayor aacuterea de
exposicioacuten al ambiente es el aacutenodo quien se corroeraacute maacutes faacutecil y raacutepidamente
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni
37 Microscopia Electroacutenica de Barrido
Las Figuras 39 310 y 311 muestran las imaacutegenes obtenidas en el MEB de los recubrimientos de
Ni a 60degC 7min 12min y 17min respectivamente Se aprecia una morfologiacutea maacutes uniforme con la
presencia de campo magneacutetico y las aglomeraciones de partiacuteculas metaacutelicas son mucho maacutes
grandes que sus homoacutelogos sin influencia del campo
55
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y sin influencia
de campo magneacutetico
56
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min con y sin
influencia de campo magneacutetico
57
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min con y sin
influencia de campo magneacutetico
58
Conclusiones
A partir de los resultados experimentales obtenidos en el presente trabajo se puede concluir lo
siguiente
La eficiencia de electrodepositacioacuten es funcioacuten de la pureza del aacutenodo y de la corriente
aprovechada por la reaccioacuten de reduccioacuten de hidroacutegeno
El aumento en el tiempo de electrodepositacioacuten conduce a un aumento en la masa de niacutequel
electrodepositada esto es vaacutelido para la condicioacuten sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico
sin embargo esto no garantiza la disminucioacuten de Vcorr
Sin campo magneacutetico los resultados obtenidos a 30degC y 60degC muestran que la Vcorr
disminuye conforme el tiempo de electrodepoacutesito de niacutequel aumenta Tambieacuten en ausencia del
campo las Vcorr obtenidas a 30degC son menores comparadas con las Vcorr a 60degC a excepcioacuten de
17 min
Sin campo magneacutetico se observa que la degradacioacuten del niquelado estaacute controlada por una
cineacutetica anoacutedica lo cual es vaacutelido para 30degC y para 60degC con excepcioacuten de 30degC y 17 min donde
la cineacutetica que controla es catoacutedica Asimismo a 30degC con campo magneacutetico se observa que la
cineacutetica que controla el sistema es la catoacutedica lo cual sugiere que la reaccioacuten de reduccioacuten de
oxiacutegeno ser manipulada por el campo magneacutetico
En presencia del campo magneacutetico se encontroacute que la resistencia de la solucioacuten disminuyoacute
tanto a 30degC como a 60degC debido a una fuerza adicional convectiva que provoca el campo
magneacutetico
La Vcorr es dependiente de la cantidad de masa depositada pero tambieacuten del ordenamiento
cristalino que los aacutetomos de niacutequel adquieren al momento del electrodepoacutesito
En presencia del campo magneacutetico las micrografiacuteas MEB revelan superficies con menos
rugosidad respecto a las muestras sin campo magneacutetico
A 60degC hay poca o nula contribucioacuten del campo magneacutetico mientras que a 30degC si hay una
contribucioacuten del campo pero es negativa respecto a la Vcorr
59
Bibliografiacutea
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62
Anexo 1 Caacutelculos
1-A Caacutelculo de eficiencia
En la praacutectica la corriente suministrada a un sistema no es aprovechada al 100 pues hay
peacuterdidas de corriente por diversos motivos entre otros
a) Desviacioacuten de corriente por caminos secundarios
b) Impurezas de las soluciones (las cuales dan reacciones secundarias)
c) Resistencia eleacutectrica propia del bantildeo electroliacutetico
d) Peacuterdidas por transformacioacuten de energiacutea eleacutectrica a energiacutea caloriacutefica
e) Fenoacutemenos de polarizacioacuten
Entonces se puede decir que
Eficiencia en corriente = 119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119905119890oacute119903119894119888119886
119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119904119906119898119894119899119894119904119905119903119886119889119886 119903119890119886119897x100
1-B Caacutelculo de Espesor
El meacutetodo maacutes satisfactorio para medir el espesor promedio de una capa es disolverla y determinar
el peso de la misma a partir de una muestra cuya aacuterea se conozca en el caso de este estudio se
pesaron las placas antes y despueacutes del electrodepoacutesito para determinar la masa depositada El
espesor se calcula asiacute a partir del peso y del aacuterea y de la densidad o peso especiacutefico del depoacutesito
utilizando la foacutermula
T (espesor) = 119862119882 (119901119890119904119900)
119860(aacute119903119890119886)times119863(119901119890119904119900 119890119904119901119890119888iacute119891119894119888119900)
En donde C es una constante que depende simplemente de las unidades utilizadas En
unidades meacutetricas la ecuacioacuten se transforma en
T(mm) = 10119882(119892119903)
119860(1198881198982)times119863
63
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 7min
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 12min
-0000006 -0000003 0000000 0000003
-040
-038
-036
-034
-032
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
-0000004 -0000002 0000000 0000002
-035
-034
-033
-032
-031
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
64
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 17min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 7min
-00000006 -00000003 00000000 00000003 00000006
-026
-024
-022
-020
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
-00000027 -00000018 -00000009 00000000 00000009 00000018
-028
-024
-020
-016
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
65
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 12min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 17min
-0000004 -0000002 0000000 0000002 0000004
-038
-036
-034
-032
-030
-028
-026
-024
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
-0000006 -0000003 0000000 0000003 0000006 0000009
-032
-031
-030
-029
-028
-027
-026
-025
-024
-023
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
ix
Iacutendice de Tablas
Tabla 11 Paraacutemetros termodinaacutemicos de las celdas electroquiacutemicas 11
Tabla 12 Serie galvaacutenica 12
Tabla 13 Ejemplos de electrolitos y no electrolitos 15
Tabla 21 Composicioacuten del bantildeo Watts 37
Tabla 22 Condiciones de operacioacuten 38
Tabla 31 Masa depositada en cada centiacutemetro cuadrado 44
Tabla 32 Valores de eficiencia 45
Tabla 33 Valores de icorr y Vcorr con y sin campo magneacutetico 46
Tabla 34 Valores de potencial de corrosioacuten 48
Tabla 35 Valores de dureza rugosidad y espesor para recubrimientos de Ni con y sin
influencia de campo magneacutetico
51
Tabla 36 Valores de capacitancia para recubrimientos de Ni con y sin presencia de
campo magneacutetico
51
x
Iacutendice de Figuras
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver 5
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes
(izq) Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico
aplicado
6
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas
(izq) Con campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
6
Figura 14 El campo magneacutetico 7
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca 9
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda 10
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten 11
Figura 18 Celda galvaacutenica 13
Figura 19 Celda electroliacutetica 14
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de
sacrificio de magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
18
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre 20
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante ensayo de dureza
27
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro 27
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y de
fotones por la interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
28
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB 29
Figura 116 Funcionamiento de un MFA 30
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X 31
Figura 118 Circuito equivalente simple 33
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist 34
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b)
Moacutedulo de impedancia
35
Figura 21 Decapado de muestras 36
xi
Figura 22 Determinacioacuten de los polos 37
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico 37
Figura 24 Rondelas de niacutequel 38
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con
imanes de Neodimio
39
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el
electrodo de referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo
(ET)
39
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad 41
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB 41
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni 43
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido 44
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal 46
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC 7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC 12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC 17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia
de campo magneacutetico
53
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni 54
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y
sin influencia de campo magneacutetico
55
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min
con y sin influencia de campo magneacutetico
56
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min
con y sin influencia de campo magneacutetico
57
xii
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de
electrodeposicioacuten
47
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min 49
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min 49
Graacutefica 34 EIE de 60degC a 17min 50
xiii
Nomenclatura
Ni ndash Niacutequel
T ndash Tesla
M ndash Metal
A ndash Ampere
Ec ndash Ecuacioacuten
ER ndash Electrodo de Referencia
ET ndash Electrodo de Trabajo
EA ndash Electrodo Auxiliar
Ecorr ndash Potencial de corrosioacuten
Vcorr ndash Velocidad de corrosioacuten
Rp ndash Resistencia a la polarizacioacuten
Rtc ndash Resistencia a la transferencia de carga
Rs ndash Resistencia del electrolito o de la solucioacuten
EIE ndash Espectroscopiacutea de impedancia electroquiacutemica
MFA ndash Microscopiacutea de fuerza atoacutemica
DRX ndash Difraccioacuten de rayos X
MEB ndash Microscopiacutea electroacutenica de barrido
SC ndash Sin campo magneacutetico
CM ndash Con campo magneacutetico
HV ndash Dureza Vickers
xiv
Resumen
En este estudio se obtuvieron recubrimientos de niacutequel con y sin presencia de campo magneacutetico a
60degC a 7 12 y 17 min sobre sustratos de acero al carbono AISI 1018 a partir de una solucioacuten tipo
Watts claacutesica Las propiedades de los recubrimientos se estudiaron mediante DRX MEB MFA
duroacutemetro y rugosiacutemetro tambieacuten se estudioacute el comportamiento electroquiacutemico de las peliacuteculas
mediante RP y EIE y ademaacutes se realizaron caacutelculos de capacitancia icorr velocidad de corrosioacuten
y espesor En general el campo magneacutetico tiene una influencia negativa en las propiedades fiacutesicas
y quiacutemicas de un electrodeposito de Ni en acero AISI 1018 Los detalles son discutidos en esta
investigacioacuten
Abstract
In this study nickel coatings were obtained with and without the presence of magnetic field at 60degC
for 7 12 and 17 min on substrates of AISI 1018 carbon steel from a classical type Watts solution
The properties of the coatings were studied by XRD SEM AFM hardness tester and roughness
tester the electrochemical behavior of the films was also studied through RP and EIE and also
capacitance calculations icorr corrosion rate and thickness were made In general the magnetic
field has a negative influence on the physical and chemical properties of an electrodeposited Ni
steel AISI 1018 The details are discussed in this research
1
Introduccioacuten
En los Reactores de agua en ebullicioacuten (BWR por sus siglas en ingleacutes) la radioacutelisis del agua
produce un medio altamente oxidante [1] que genera que los materiales estructurales presenten un
elevado potencial electroquiacutemico de corrosioacuten (PEC) cuando estaacuten en contacto con el agua en el
BWR Este PEC incrementa la propensioacuten a experimentar agrietamiento por corrosioacuten bajo
esfuerzos (SCC) [2] y agrietamiento por corrosioacuten intergranular bajo esfuerzos (IGSCC) [3] en los
materiales de los componentes internos tales como acero inoxidable aleaciones base niacutequel y las
zonas afectadas por el calor (HAZ) propias de un proceso de soldadura Ademaacutes en las condiciones
de alta temperatura del reactor BWR se forma una capa de oacutexido que puede ser hematita en
condiciones de alto oxiacutegeno o magnetita en condiciones de bajo oxiacutegeno Este segundo oacutexido es
un imaacuten por naturaleza por lo que este estudio contribuiraacute ademaacutes a discernir y en dado caso a
explicar si la presencia de un oacutexido magneacutetico o de otro que no lo sea tiene una influencia en la
deposicioacuten de recubrimientos alternos para mitigar el agrietamiento por corrosioacuten bajo esfuerzos
(SCC por sus siglas en ingleacutes) de los materiales de componentes internos de reactores BWR
El electrodepoacutesito de niacutequel sobre una superficie metaacutelica se hace con el fin de proteger las
piezas de la corrosioacuten pues posee buenas propiedades anticorrosivas y buena resistencia al
desgaste Los recubrimientos de niacutequel se utilizan en numerosos sectores industriales electroacutenica
componentes eleacutectricos petroquiacutemica automocioacuten etc [4] Por ello el presente trabajo muestra la
utilizacioacuten de un campo magneacutetico de 15 a 34 T (Valor fluctuante) para la obtencioacuten de
recubrimientos de Ni en acero un acero bajo carbono especiacuteficamente el AISI 1018 Las
propiedades de dichos recubrimientos se evaluaron mediante teacutecnicas electroquiacutemicas como Rp y
EIE para determinar las velocidades de corrosioacuten de las peliacuteculas De igual manera se estudiaron
los recubrimientos mediante DRX MEB y MFA Para finalmente establecer la influencia positiva
o negativa de dicho campo magneacutetico en los procesos de deposicioacuten electroliacutetica
2
Justificacioacuten
Para mitigar el SCC de los componentes internos de los BWR [5] en la actualidad se antildeaden sales
como precursores metaacutelicos por ejemplo Na2Pt(OH)6 que se transforman en partiacuteculas metaacutelicas
al entrar en contacto con el acero debido a la diferencia de potencial entre Fe y Pt [6] adhirieacutendose
al acero estructural por medio de procesos de precipitacioacuten Estas partiacuteculas catalizan las reacciones
de recombinacioacuten de especies oxidantes disminuyendo los procesos de corrosioacuten del acero sin
embargo los catalizadores basados en Pt tienen el inconveniente de costo elevado [7]
En este sentido una posible opcioacuten es la electrodeposicioacuten de un metal sobre la superficie
que se interesa proteger pero la efectividad de estos depoacutesitos depende de la preparacioacuten de la
superficie y de aspectos teacutecnicos ya estandarizados en normativas por ejemplo la Norma ISO
1458-1974 ldquoMetallic coatingsrdquo Si bien son de los mejores meacutetodos para proteger un metal auacuten
presentan diversas anomaliacuteas que generan superficies porosas falta de cohesioacuten y peliacuteculas
amorfas lo que conlleva a altos costos de produccioacuten debido a que se debe repetir el proceso y
contaminacioacuten ambiental a causa de los reactivos quiacutemicos usados para limpiar nuevamente la
superficie a recubrir
Debido a lo anterior este estudio tiene por objeto determinar si el campo magneacutetico influye
o no en las propiedades de adherencia rugosidad y eficiencia de un electrodepoacutesito de niacutequel
Siendo los mayores beneficiarios con este trabajo investigativo el ambiente la industria
galvanoplaacutestica y la comunidad electroquiacutemica
3
Objetivo General
Evaluar el efecto de un campo magneacutetico sobre las propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero bajo carbono especiacuteficamente en un acero AISI 1018
Objetivos Especiacuteficos
1- Elaborar electrodepoacutesitos de niacutequel en acero 1018 con y sin presencia de campo magneacutetico
2- Evaluar los electrodepoacutesitos mediante corriente directa y alterna
3- Analizar los electrodepoacutesitos por medio de pruebas fiacutesicas y quiacutemicas
4- Determinar el efecto de un campo magneacutetico en un electrodepoacutesito de niacutequel
4
Hipoacutetesis
El campo magneacutetico provoca una orientacioacuten en los iones yo moleacuteculas del electrolito destinado
a la electrodeposicioacuten con ello se modifican ciertas propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero 1018
5
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico
11 Antecedentes
El efecto de un campo magneacutetico sobre la orientacioacuten de las moleacuteculas durante un proceso de
formacioacuten de un producto ha sido muy poco estudiado En la industria se encuentran algunos casos
sin que haya reportes formales A continuacioacuten se discutiraacuten algunos de ellos
El ldquoFuel Energy Saverrdquo (Figura 11) es un producto de la compantildeiacutea mexicana ldquoEnergy
Saverrdquo se trata de un inductor de resonancia magneacutetica de alta potencia que genera frecuencias
especiacuteficas la cual fractura las cadenas de hidrocarburos alineando y haciendo todas las moleacuteculas
maacutes accesibles al oxiacutegeno lo que se traduce en una mejor combustioacuten con el consiguiente ahorro
de combustible y reduccioacuten de contaminacioacuten [8] Es aplicable para cualquier tipo de combustible
(gas natural gas LP dieacutesel combustoacuteleo gasoacuteleo) y puede ser usado en todo equipo de iacutendole
industrial (hornos calderas calentadores secadores estufas)
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver
Algunas empresas del ramo automotriz (por ejemplo Mercedes Benz) estaacuten empleando el
principio del FES para que por medio un campo magneacutetico se orienten las moleacuteculas del
combustible y de oxiacutegeno antes de que eacutestas sean consumidas La explicacioacuten a este fenoacutemeno fue
dada por Kita amp Kulish [9] que consiste en lo siguiente el combustible se consumiraacute a medida que
haya oxiacutegeno disponible Si en lugar de que el oxiacutegeno se alimente de manera ldquodesordenadardquo eacuteste
pudiera ser orientado antes de entrar a la caacutemara de combustioacuten se lograriacutea un mejor consumo de
combustible-oxiacutegeno lo cual se traduce en mayor potencia en el motor y un mejor
aprovechamiento del combustible es decir habriacutea menor cantidad de contaminantes (NOx y CO2)
en el escape
6
Otro ejemplo del uso de campos magneacuteticos se puede encontrar en la formacioacuten de
calcaacutereos en intercambiadores de calor La industria que sufre de formacioacuten de dichos productos
tambieacuten ha encontrado beneficios con el uso de un campo magneacutetico colocado en el depoacutesito de
agua y se observa que los productos calcaacutereos se desvanecen tal como se aprecia en la Figura 12
La explicacioacuten a este efecto se atribuye nuevamente a la reorientacioacuten de las moleacuteculas dando como
consecuencia una estructura amorfa en lugar de una cristalina caracteriacutestica de los calcaacutereos [10]
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes (izq)
Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico aplicado
Por el lado de las investigaciones cientiacuteficas se tiene el anaacutelisis del efecto de un campo
magneacutetico de 12 T en la electrodeposicioacuten y estructura de las aleaciones cobalto-tungsteno con
ello Zielinski [11] pudo establecer que la aplicacioacuten del campo magneacutetico cambioacute la composicioacuten
quiacutemica y la morfologiacutea de las aleaciones Co-W
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas (izq) Con
campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
7
De la misma manera Ferreira y Colnago [12] estudiaron la influencia del campo magneacutetico
de una resonancia magneacutetica nuclear (RMN) durante la reaccioacuten electroliacutetica del cobre Sus
resultados fueron exitosos pues la reaccioacuten en presencia de un campo magneacutetico de 023 T tuvo
un rendimiento del doble que la de la reaccioacuten en ausencia de dicho campo
Finalmente pero no menos importantes Calivar [13] con su creacioacuten de modelos de
conveccioacuten magneacutetica en electrodeposicioacuten de peliacuteculas delgadas de cobre y tambieacuten Ispas [14]
con su estudio del efecto de un campo magneacutetico de 05 T en la electrodeposicioacuten de la aleacioacuten
Ni-Fe Ambos llegaron a la misma conclusioacuten un campo magneacutetico provoca una conveccioacuten en el
fluido el cual provoca una contribucioacuten adicional de masa-transporte
12 Generalidades
121 El campo magneacutetico
Se trata de un campo que ejerce fuerzas (denominadas magneacuteticas) sobre los materiales Es una
magnitud vectorial pero no produce ninguacuten efecto sobre cargas en reposo (como siacute lo hace el
campo eleacutectrico doacutende las acelera a traveacutes de la fuerza eleacutectrica) Sin embargo el campo magneacutetico
siacute tiene influencia sobre cargas eleacutectricas en movimiento [15]
Por ejemplo en el estado soacutelido si una carga en movimiento atraviesa un campo magneacutetico
la misma sufre la accioacuten de una fuerza magneacutetica que no modifica la velocidad pero siacute la
trayectoria Cabe mencionar que en el estado liacutequido o en el estado gaseoso el efecto del campo
magneacutetico no estaacute bien definido
Figura 14 El campo magneacutetico
8
La unidad de campo magneacutetico en el Sistema Internacional es el tesla (T) Un tesla se define
como el campo magneacutetico que ejerce una fuerza de 1 N (newton) sobre una carga de 1 C (coulomb)
que se mueve a velocidad de 1 ms dentro del campo
122 Definicioacuten de corrosioacuten
Se denomina corrosioacuten al ataque destructivo de un material generalmente metaacutelico por reaccioacuten
quiacutemica o electroquiacutemica con su medio ambiente (atmoacutesfera suelo agua etc)
La reaccioacuten baacutesica de corrosioacuten es
M Mn+ + ne-
De acuerdo con ello tambieacuten es posible definir la corrosioacuten desde un punto de vista maacutes
electroquiacutemico como el traacutensito de un metal de su forma elemental a su forma ioacutenica o combinada
con una respectiva cesioacuten de electrones [16] Dicho de otra manera el metal a traveacutes de la
corrosioacuten retorna a su forma combinada formando oacutexidos sulfuros hidroacutexidos etc Pues asiacute es
como los metales se encuentran habitualmente en la naturaleza por tratarse de formas
termodinaacutemicamente maacutes estables
El proceso de corrosioacuten es natural y espontaacuteneo y cuanto mayor es la energiacutea gastada en la
obtencioacuten del metal a partir del mineral tanto maacutes es la tendencia del metal a regresar a su forma
basal es decir mucho maacutes favorecida termodinaacutemicamente estaacute la reaccioacuten de oxidacioacuten
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten
Tradicionalmente se establecen dos procesos baacutesicos de ataques corrosivos atendiendo al medio
en el que se producen
Corrosioacuten seca
Corrosioacuten huacutemeda
1231 Corrosioacuten seca
Tiene lugar cuando el material se encuentra sometido a la accioacuten de gases principalmente a
temperaturas elevadas por lo que no se tiene un electrolito condensado Este tipo de corrosioacuten es
la que se produce en calderas sobrecalentadores reactores etc en la parte que estaacute en contacto
con los productos de combustioacuten
9
En la corrosioacuten seca los oacutexidos que se forman son de caraacutecter ioacutenico (cationes metaacutelicos y
aniones de oacutexido regularmente distribuidos) La estructura cristalina formada presenta
normalmente defectos reticulares (deficiencias ioacutenicas) a traveacutes de los cuales se produce la
difusioacuten de iones
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca
1232 Corrosioacuten huacutemeda
Tiene lugar cuando el material se encuentra en medios acuosos (Figura 16) Se produce
normalmente a temperatura ambiente o no muy elevada Es la maacutes extendida por cuanto afecta a
un sinfiacuten de elementos en los que el material es usado en tanques tuberiacuteas intercambiadores
precalentadores carcasas estructuras buques etc
Todos los procesos de corrosioacuten involucran transferencia de carga (iones y electrones) en
particular en el caso de corrosioacuten huacutemeda eacutesta se da a traveacutes de soluciones acuosas (electrolitos)
las cuales son eleacutectricamente conductoras En general el proceso requiere de tres etapas
1) Oxidacioacuten Los aacutetomos metaacutelicos aumentan su valencia al ceder electrones convirtieacutendose
en iones positivos los cuales pasan al electrolito
2) Transporte de carga Los electrones son transferidos al caacutetodo
3) Reduccioacuten Reaccioacuten donde se consumen los electrones generados en la oxidacioacuten
Este tipo de corrosioacuten es netamente electroquiacutemico ya que es un proceso en el que se llevan
a cabo reacciones de oxidacioacuten y de reduccioacuten de ahiacute que se conozca coacutemo proceso REDOX Cabe
mencionar que se puede favorecer una reaccioacuten u otra en caso de inclinarse por la oxidacioacuten
10
entonces se da la corrosioacuten y si es la reduccioacuten se puede proteger al metal por ejemplo con
electrodepoacutesitos
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda
124 Tipos de ataque por corrosioacuten
Es importante sentildealar que la corrosioacuten huacutemeda presenta dos tipos de ataque corrosioacuten uniforme y
corrosioacuten localizada
a) Corrosioacuten uniforme homogeacutenea o generalizada El ataque se extiende de forma
homogeacutenea sobre toda la superficie metaacutelica y por tanto la peacuterdida de material es
aproximadamente la misma en todos los puntos A este tipo de ataque se le identifica por
crecimiento 2D debido a que se desarrolla preferentemente a lo largo de la superficie Por
consiguiente es relativamente faacutecil estimar la vida uacutetil de los materiales metaacutelicos que lo
sufren
b) Corrosioacuten localizada El ataque no se distribuye de forma homogeacutenea localizaacutendose por
el contrario en determinadas zonas de la superficie metaacutelica A este tipo de ataque se le
conoce por crecimiento 3D debido a que se desarrolla de manera local dando preferencia a
la profundidad maacutes que a la superficie Dentro de este tipo de corrosioacuten existe a su vez
otra clasificacioacuten que se menciona a continuacioacuten
11
a Corrosioacuten por picadura
b Corrosioacuten por hendidura
c Corrosioacuten galvaacutenica
d Corrosioacuten intergranular
e Corrosioacuten bajo tensioacuten
f Corrosioacuten cavitacioacuten
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten
125 Celdas electroquiacutemicas
En corrosioacuten una celda es un dispositivo en el cual se producen reacciones quiacutemicas de oxidacioacuten
y reduccioacuten El aparato se integra de las siguientes partes sustancia que contiene iones (electrolito)
dos electrodos (caacutetodo y aacutenodo) y una conexioacuten eleacutectrica entre ambos electrodos
Existen dos tipos de celdas las electroliacuteticas que requieren un voltaje externo (fuente de
poder) y las electroquiacutemicas o galvaacutenicas que solamente necesitan un instrumento para registrar
voltaje Por lo cual se dice que las primeras son no espontaacuteneas y las segundas espontaacuteneas
Termodinaacutemicamente una reaccioacuten espontaacutenea presenta una energiacutea libre de Gibbs negativa y la
no espontaacutenea positiva tal como se aprecia en la Tabla 11
12
1251 Celda galvaacutenica
Una celda galvaacutenica (Figura 18) es aquella en la cual la energiacutea quiacutemica es convertida en energiacutea
eleacutectrica por medio de una reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea Esto se debe a que un metal es maacutes activo
y otro maacutes noble aacutenodo y caacutetodo respectivamente seguacuten la serie galvaacutenica por lo que al ser
conectados eleacutectricamente producen un flujo de electrones desde el caacutetodo al aacutenodo Dicho flujo
genera un potencial eleacutectrico que puede ser medido experimentalmente
Los requisitos para que se produzca un proceso de corrosioacuten en una pila galvaacutenica son los
siguientes
1 Dos superficies con distinto potencial electroacutedico
a Una de ellas que constituye al aacutenodo de la reaccioacuten al ceder electrones sufriraacute la
corrosioacuten Es decir aquiacute se lleva a cabo la reaccioacuten de oxidacioacuten Es el polo
negativo
Mdeg Mne- + ne-
b La otra que constituye el caacutetodo ganaraacute los electrones cedidos por el aacutenodo En
esta zona ocurriraacute la reaccioacuten de reduccioacuten Es el polo positivo
Mne- + ne- Mdeg
13
2 Un electrolito conductor ioacutenico que contiene los elementos caracteriacutesticos del medio
corrosivo Es justo aquiacute en el seno de la solucioacuten donde ocurre el transporte de materia
3 Una conexioacuten eleacutectricamente conductora entre el aacutenodo y el caacutetodo para que sea posible
el transporte de carga
Figura 18 Celda galvaacutenica
1252 Celda electroliacutetica
Las celdas electroliacuteticas no son espontaacuteneas por lo que debe aplicarse externamente un potencial
eleacutectrico para que funcionen Al proveer dicha energiacutea se fuerza a que una corriente eleacutectrica pase
por la celda con el fin de generar reacciones quiacutemicas de oacutexido-reduccioacuten en la superficie de los
electrodos de dicha celda Uno de los procesos maacutes conocidos es el electrodepoacutesito de metales
como cobre niacutequel o zinc Es importante puntualizar que aquiacute el aacutenodo estaraacute cargado
positivamente y el caacutetodo negativamente contrario a lo sucedido en las celdas galvaacutenicas
Las partes que conforman a la celda electroliacutetica son las siguientes
1 Electrolito Al igual que en las celdas galvaacutenicas se necesita de un conductor ioacutenico
2 Aacutenodo En este tipo de celdas el aacutenodo posee el polo positivo y aquiacute se lleva a cabo la
oxidacioacuten de la especie electroquiacutemica
3 Caacutetodo Eacuteste es el polo negativo y en eacutel se produce la reduccioacuten de la especie
electroquiacutemica
14
4 Fuente de energiacutea Es quien aplica la energiacutea necesaria para poder invertir el sentido
natural de la corriente dando lugar a una reaccioacuten quiacutemica opuesta a la que se produce
espontaacuteneamente en la pila
Figura 19 Celda electroliacutetica
13 Principios Electroquiacutemicos
131 Electrolitos
Todos los solutos que se disuelven en agua se agrupan en dos categoriacuteas electrolitos y no
electrolitos Un electrolito es una sustancia que cuando se disuelve en agua forma una disolucioacuten
capaz de conducir la electricidad Un no electrolito por lo tanto no conduce la corriente eleacutectrica
cuando se disuelve en agua
1311 Tipos de electrolitos
Los electrolitos se clasifican en fuertes y deacutebiles Los primeros son sustancias que estaacuten casi
completamente disociadas en la solucioacuten e incluyen soacutelidos ioacutenicos y aacutecidos fuertes Los uacuteltimos
poseen enlaces tan fuertes que muy difiacutecilmente se ionizan en solucioacuten permaneciendo la mayor
parte en forma de moleacuteculas las cuales no tienen la capacidad de transportar carga eleacutectrica como
lo hacen los iones Es importante mencionar que los electrolitos por buenos conductores de la
electricidad que puedan ser siempre tendraacuten menor capacidad para conducir la electricidad que los
materiales soacutelidos [17]
15
132 Ley de Ohm
Una de las maacutes importantes caracteriacutesticas eleacutectricas de un material soacutelido es la facilidad con que
transmite una corriente eleacutectrica La ley de Ohm relaciona la corriente (I) o sea el paso de carga
por unidad de tiempo con el voltaje aplicado (V) de la manera siguiente
V = IR
Donde R es la resistencia del material a traveacutes del cual pasa la corriente Las unidades de
V I y R son respectivamente voltios (V) amperios (A) y ohmios (Ω)
133 Leyes de Faraday
En electroquiacutemica es de suma importancia poder determinar la velocidad a la que ocurren las
reacciones de oacutexido-reduccioacuten cuando una corriente atraviesa una interfase soacutelido-electrolito pues
esto trae como consecuencia un transporte de materia resultado de la peacuterdida (oxidacioacuten) o
ganancia (reduccioacuten) de masa en el electrodo de trabajo
Cabe mencionar que las caracteriacutesticas superficiales del electrodo y las interacciones del
electrolito en dicha superficie son las que determinan la velocidad de reaccioacuten de un proceso
electroquiacutemico [18] Sin embargo hay tantos factores que pueden afectar directamente la velocidad
de reaccioacuten que por ello las leyes de Faraday solo son utilizables cuando el proceso controlador es
la transferencia de carga
Con las investigaciones del fiacutesico britaacutenico Michael Faraday (1791-1867) se descubrieron
las relaciones cuantitativas entre la cantidad de electricidad que pasa a traveacutes de una solucioacuten y la
cantidad de materia separada o precipitada en los electrodos Es decir con dichas expresiones es
posible calcular el transporte de materia en la interfase soacutelido-electrolito [16]
Primera Ley La masa de un ion liberado o depositado en un electrodo es proporcional a
la cantidad de electricidad que pase a traveacutes de la solucioacuten
Ec 11
16
m = 119868119905119875119860
119899119865
Donde PA es el peso atoacutemico la I la corriente en Amperes t el tiempo que pasa dicha carga
en segundos n el nuacutemero de equivalentes involucrados y F la constante de Faraday
Segunda Ley Las cantidades de sustancias liberadas o depositadas por una cantidad de
electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes Aplica cuando una misma
cantidad de electricidad atraviesa distintos electrolitos es decir cuando el proceso se lleva a cabo
en serie
1198981
1198901=
1198982
1198902
Donde m1 y m2 son las masas depositadas y e1 y e2 son los equivalentes quiacutemicos El
equivalente quiacutemico es la relacioacuten entre el peso atoacutemico y el nuacutemero de oxidacioacuten del compuesto
en cuestioacuten
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary
La ecuacioacuten de Stern-Geary establece la relacioacuten entre la densidad de corriente de corrosioacuten (icorr)
es decir la velocidad de corrosioacuten con la resistencia a la polarizacioacuten [19]
119894119888119900119903119903 = 119861
119877119875
119861 = 119887119886119887119888
2303 (119887119886 + 119887119888)
Donde ba y bc son las pendientes de Tafel anoacutedica y catoacutedica respectivamente
La constante B en la ecuacioacuten sirve para presentar una relacioacuten existente entre las
pendientes de Tafel Para que la ecuacioacuten de Stern-Geary sea aplicable es imperativo que exista
comportamiento tafeliano en el sistema electroquiacutemico
Ec 12
Ec 13
Ec 14
Ec 15
17
14 Control de la corrosioacuten
Baacutesicamente todos los meacutetodos que existen para lograr controlar la corrosioacuten de los materiales
metaacutelicos son intentos para interferir con el mecanismo de corrosioacuten de tal manera que se pueda
hacer que eacuteste sea lo maacutes ineficiente posible Dado que para que exista un proceso de corrosioacuten
debe formarse una pila o celda de corrosioacuten ademaacutes de una diferencia de potencial entre los
electrodos o zonas anoacutedicas y catoacutedicas la eliminacioacuten de alguno de los componentes esenciales
de la mencionada pila podriacutea llegar a detener el proceso [20]
En la praacutectica existen tres maneras de lograr lo anterior y enseguida se explicaraacute en queacute
consiste cada una Sin embargo es muy importante sentildealar que ninguacuten meacutetodo elimina la
corrosioacuten sino que todos disminuyen la velocidad de la reaccioacuten de oxidacioacuten ya que el metal
siempre buscaraacute la condicioacuten de miacutenima energiacutea que es la formacioacuten de oacutexidos e hidroacutexidos
141 Proteccioacuten catoacutedica
Se debe recordar que toda estructura propensa a corroerse presenta zonas catoacutedicas y anoacutedicas
siendo estas uacuteltimas aquellas aacutereas donde se lleva a cabo la corrosioacuten Pero si todas las aacutereas
anoacutedicas se pudieran convertir en catoacutedicas la estructura completa funcionariacutea como caacutetodo y la
corrosioacuten se disminuiriacutea considerablemente [21] Ese es el mecanismo de accioacuten de la proteccioacuten
catoacutedica y se puede llevar a cabo de dos maneras tal como lo muestra la Figura 110
Por corriente impresa La proteccioacuten se logra aplicando una corriente externa a partir de
un rectificador que suministra corriente continua de bajo voltaje El terminal positivo de la
fuente de corriente se conecta a un aacutenodo auxiliar (grafito por ejemplo) localizado a una
determinada distancia de la estructura a proteger y el terminal negativo se conecta a la
estructura metaacutelica
Por aacutenodos de sacrificio El metal a proteger se conecta a otro metal menos noble seguacuten
la serie galvaacutenica que actuaraacute como aacutenodo en la celda de corrosioacuten En ese caso la
estructura actuaraacute como caacutetodo y quedaraacute protegida por el ldquosacrificiordquo del aacutenodo que se
corroeraacute
18
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de sacrificio de
magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
142 Inhibidores de corrosioacuten
Los inhibidores son sustancias orgaacutenicas o inorgaacutenicas que se agregan a la solucioacuten corrosiva con
el fin de disminuir su poder de ataque y asiacute reducir la velocidad de corrosioacuten Se puede decir que
un inhibidor es un calmante de la corrosioacuten pues como ya se mencionoacute con anterioridad ninguacuten
meacutetodo la elimina en su totalidad
El comportamiento de los inhibidores puede ser muchas veces peligroso ya que en funcioacuten
de la concentracioacuten pueden jugar tanto el papel de inhibidores como de estimuladores de la
corrosioacuten [21]
Los hay de dos tipos aunque a veces se utiliza una combinacioacuten de ambos
1) Inhibidores anoacutedicos Actuacutean formando un compuesto insoluble el cual precipita en los
lugares afectados por la peacuterdida de materia evitando la reaccioacuten anoacutedica y por lo tanto
inhibe la corrosioacuten Ejemplos hidroacutexido soacutedico carbonato silicato y borato de sodio
ciertos fosfatos cromato soacutedico nitrito y benzoato de sodio etc
2) Inhibidores catoacutedicos Actuacutean sobre toda la superficie formando una capa o peliacutecula de
alta resistencia eleacutectrica la cual funciona como una barrera para la corriente de corrosioacuten
Ejemplos sulfato de zinc sulfato de magnesio bicarbonato de calcio etc
143 Recubrimientos protectores
Los recubrimientos representan la primera liacutenea en la lucha contra la corrosioacuten Los recubrimientos
sea cual fuere su tipo no mejoran las caracteriacutesticas mecaacutenicas del elemento sin embargo
preservan su resistencia e integridad Sus objetivos pueden ser variados siendo el principal aislar
la estructura del medio agresivo con el que se encuentra en contacto (agua suelo y atmoacutesfera por
lo general) aunque tambieacuten cumplen en ocasiones fines cosmeacuteticos
19
En general se emplean bajo condiciones muy amplias como puede ser exposicioacuten
atmosfeacuterica inmersioacuten en agua estructuras enterradas elementos sometidos a quiacutemicos etc Los
recubrimientos representan la uacuteltima etapa de los procesos de fabricacioacuten de cualquier pieza
sistema o equipo siendo normalmente aplicados antes del ensamble [21] Existe por lo tanto una
amplia gama de materiales que pueden ser utilizados como recubrimientos de los metales
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos
Orgaacutenicos Los recubrimientos orgaacutenicos son poliacutemeros y resinas producidas en forma
natural o sinteacutetica generalmente formulados para aplicarse como liacutequidos que se secan o
endurecen como peliacuteculas delgadas en materiales del sustrato Por ejemplo las pinturas
Inorgaacutenicos Los recubrimientos inorgaacutenicos proporcionan acabados tersos y maacutes
duraderos los maacutes usados son el vidrio y los ceraacutemicos
Metaacutelicos Los recubrimientos metaacutelicos se aplican mediante capas finas que funcionen
como aacutenodos sacrificables que puedan ser corroiacutedos en lugar del metal subyacente Por
ejemplo Niquelado cromado galvanizado electroliacutetico inmersioacuten en caliente etc
15 Galvanoplastia
La galvanoplastia es una teacutecnica que proporciona un recubrimiento metaacutelico a una estructura que
deseamos proteger El elemento adherido modifica las propiedades superficiales del material sobre
el cual se depositan promoviendo caracteriacutesticas que son imposibles de obtener en el metal base
Es un meacutetodo que se fundamenta en la electroacutelisis para asiacute cubrir un metal base con un fina
capa de otro metal ya sea cobre niacutequel cromo oro plata con el fin de embellecerlo o impartirle
resistencia a la corrosioacuten
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten
La electrodeposicioacuten puede ser de un solo metal de capas de diferentes metales o de una aleacioacuten
(por ejemplo latoacuten) Los metales maacutes utilizados para electrodepoacutesito son en orden de importancia
zinc niacutequel estantildeo y cadmio [22] Tambieacuten es usual recubrir con oro plata y platino En el caso
de aleaciones es comuacuten la aplicacioacuten de Babbitts (aleaciones Pb-Sn) Es conveniente mencionar
que la mayoriacutea de los metales se pueden depositar por eacuteste procedimiento
20
En teacuterminos simples este proceso consiste en la inmersioacuten de la parte a recubrir en un
electrolito que contenga iones del metal a depositar para asiacute proceder al paso de una corriente
directa que permita el depoacutesito en la pieza (caacutetodo) donde los iones son repuestos por la accioacuten de
la propia corriente sobre el aacutenodo
Pero iquestcoacutemo sucede realmente el fenoacutemeno de la electrodeposicioacuten A continuacioacuten se
daraacute una explicacioacuten maacutes detallada sin embargo solo las reacciones en el caacutetodo seraacuten presentadas
ya que en general las reacciones en un aacutenodo soluble seraacuten las inversas de aquellas presentes en
el caacutetodo
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre
Suponga una solucioacuten de una sal metaacutelica tal como el sulfato de cobre (Figura 111) la sal
se disocia considerablemente formando cationes cargados positivamente y aniones cargados
negativamente como ya se ha mencionado anteriormente El agua presente se disocia un poco para
formar iones hidroacutegeno e hidroxilo Todo aacutecido sulfuacuterico presente se disocia tambieacuten en iones
hidroacutegeno y en iones ya sea HSO4- o ya sea SO4
-2 La mayor parte de estos iones estaacuten hidratados
o sea que se encuentran combinados con una o maacutes moleacuteculas de agua
Cuando se aplica un potencial a dos electrodos en una solucioacuten asiacute los cationes cargados
positivamente emigran hacia el caacutetodo y los aniones negativos se mueven hacia el aacutenodo En una
solucioacuten acidificada la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es relativamente alta y la de los iones
hidroxilo es muy baja En virtud de que los iones hidroacutegeno se mueven maacutes raacutepidamente que los
iones cobre la mayor parte de la corriente es llevada hacia el caacutetodo por los iones hidroacutegeno Sin
embargo es maacutes faacutecil descargar los iones cobre asiacute que praacutecticamente toda la corriente que se usa
en el caacutetodo es para depositar cobre
21
Es difiacutecil representar el proceso implicado en el depoacutesito real de un metal sobre el sustrato
El caacutetodo se encuentra cargado negativamente o sea tiene una concentracioacuten de electrones
relativamente alta los cuales siempre aprovechan la oportunidad de combinarse con iones cargados
positivamente para asiacute formar los aacutetomos metaacutelicos
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel
El niacutequel (Ni) es un elemento quiacutemico de nuacutemero atoacutemico 28 situado en el grupo 10 de la tabla
perioacutedica de los elementos Es un metal blanco plateado duro maleable y duacutectil que puede
presentar un intenso brillo
Como elemento aleante proporciona resistencia tenacidad y proteccioacuten contra la corrosioacuten
El uso principal del niacutequel como metal es en la electrodeposicioacuten de piezas ya que funge como
protector corrosivo y de desgaste ante otros materiales que suelen ser maacutes susceptibles
ambientalmente tal como el hierro o el acero ademaacutes de embellecer la superficie El niacutequel es un
metal muy poco activo y bajo casi todas las condiciones tiende a resistir manchas y oxidacioacuten [23]
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel
Normalmente los galvanizados de niacutequel se hacen a partir de soluciones aacutecidas variando en un
rango de pH de 15 a 60 Una excepcioacuten es el uso de un bantildeo alcalino amoniacal de niacutequel con un
pH cerca de 9 [22]
A pesar de las muchas foacutermulas de bantildeos de niacutequel casi todas ellas contienen tres componentes
esenciales
Sulfato de niacutequel Constituye la principal fuente de iones niacutequel ademaacutes de controlar los
liacutemites admisibles de densidad de corriente
Cloruro de niacutequel Suministra los iones cloruros necesarios para asegurar la corrosioacuten de
los aacutenodos de niacutequel Tambieacuten es una fuente secundaria de iones niacutequel
Aacutecido boacuterico Actuacutea como agente tampoacuten y para conservar la adhesioacuten del depoacutesito de
niacutequel
A continuacioacuten se enlistan las teacutecnicas principales que se utilizan en los depoacutesitos de niacutequel
[22] Cabe mencionar que las concentraciones exactas y las condiciones de operacioacuten pueden
modificarse pero los valores que se dan pueden servir de guiacutea
22
1 Niacutequel a bantildeo friacuteo diluido
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 09 120 16
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Fluoruro de amonio NH4F 057 65 87
2 Bantildeo caliente Tipo Watts
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 04 45 6
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
pH para operacioacuten a un alto pH 45-55 a un bajo pH 15-30
Temperatura 43deg C (110 degF)
Densidad de corriente 2-7 ampdm2 (20-65 ampft2)
3 Bantildeo de alto sulfato
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 05 70 9
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Sulfato de sodio Na2SO4 10 160 22
Aacutecido boacuterico H3BO3 025 M 15 2
pH 55
Temperatura 20-30 degC (68-86 degF)
Densidad de corriente 15-30 ampdm2 (14-28 ampft2)
4 Bantildeo brillante de niacutequel-cobalto
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
23
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 038 45 6
Sulfato de cobalto CoSO4 7H2O 011 15 2
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
Sulfato de amonio (NH4)2SO4 004 25 03
Formato de niacutequel Ni(COOH)2 067 50 67
Formaldehiacutedo HCHO (40) 25 03
pH 45
Temperatura 55 degC (131 degF)
Densidad de corriente 3 ampdm2 (28 ampft2)
1522 Condiciones de operacioacuten
El caraacutecter del depoacutesito depende de varios factores incluyendo la temperatura la densidad de
corriente el pH la distancia entre los electrodos y la agitacioacuten los cuales se ajustan para producir
recubrimientos gruesos o delgados mates o brillantes suaves o duros duacutectiles o fraacutegiles [22] Cabe
mencionar que los valores oacuteptimos para cada factor variacutean de acuerdo con el tipo del bantildeo por lo
que no es posible dar cifras determinadas En su lugar se indicaraacuten los efectos sobre el caraacutecter de
los depoacutesitos obtenidos
pH La eleccioacuten de pH es regida por el tipo de bantildeo y las propiedades que se desean en el
depoacutesito En general en bantildeos de niacutequel opaco un aumento en el pH especialmente arriba de 50
produce depoacutesitos maacutes duros probablemente como resultado de mayor precipitacioacuten
Reciacuteprocamente los depoacutesitos de bajo pH seraacuten probablemente suaves
Temperatura La ventaja de aplicar altas temperaturas depende de varios factores
incluyendo (1) maacutes elevada solubilidad del niacutequel u otras sales (2) mayor conductividad (3)
reducida polarizacioacuten en ambos electrodos y (4) aumento de eficiencia en el aacutenodo y caacutetodo
Aunque de igual manera se pueden presentar ciertas desventajas (1) aumento de la tendencia a la
precipitacioacuten de impurezas (2) la propensioacuten a coagular agentes abrillantadores (3) vaporizacioacuten
excesiva (4) produccioacuten de depoacutesitos pasivos y (5) menor potencia de depoacutesito
Densidad de corriente La densidad de corriente es dependiente de los dos factores
anteriores A temperatura ambiente especialmente en bantildeos diluidos se emplean densidades de
24
corriente de 5 a 20 Aft2 (05 a 2 Adm2) En bantildeos maacutes fuertes y calientes se pueden usar
densidades de corriente hasta de 60 Aft2 (6 Adm2)
Agitacioacuten El efecto de la agitacioacuten equivale a un aumento en concentracioacuten de niacutequel y a
una disminucioacuten de pH lo que permite densidades de corriente maacutes altas Una desventaja de la
agitacioacuten raacutepida en los bantildeos de niacutequel es que con el movimiento suben a la superficie las partiacuteculas
suspendidas lo que trae consigo un depoacutesito aacutespero
Distancia entre electrodos La elaboracioacuten de recubrimientos con espesor uniforme
depende tambieacuten de la propia disposicioacuten y espacio adecuado de las piezas de trabajo aacutenodo y
caacutetodo Por lo que entre maacutes cercana esteacute la superficie a recubrir del aacutenodo mayor seraacute el espesor
del depoacutesito obtenido
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel
Las propiedades fiacutesicas del niacutequel electrodepositado son de especial intereacutes porque hay una gran
variedad de propiedades el control de las cuales de las cuales crea aplicaciones especiales del
niacutequel por ejemplo en electroformacioacuten Las siguientes propiedades son para depoacutesitos opacos de
niacutequel [22]
Dureza Esta variacutea en los diferentes depoacutesitos de niacutequel cerca de 130 a 430 HB En el bantildeo
tipo Watts se obtuvo un miacutenimo de dureza a un pH de 3 obtenieacutendose depoacutesitos maacutes duros abajo
y arriba de este liacutemite Los depoacutesitos maacutes duros se obtienen con un alto pH
Resistencia a la tensioacuten En general la resistencia a la tensioacuten es casi paralela a la dureza
y va de 56 000 a 160 000 lbplg2 (3 900 a 11 000 kgcm2)
Ductilidad La ductilidad medida por elongacioacuten es casi inversamente proporcional a la
dureza y a la resistencia a la tensioacuten
Resistividad eleacutectrica La resistividad eleacutectrica del niacutequel depositado es influenciada por el
contenido de inclusiones como el oacutexido y el cobalto Se presenta un poco en un pH 3
Composicioacuten Los depoacutesitos de niacutequel contienen oxiacutegeno e hidroacutegeno probablemente
presentes como compuestos baacutesicos del niacutequel como Ni(OH)2 El cloruro puede estar presente en
los depoacutesitos de todos los bantildeos de cloruro Estas inclusiones indudablemente tienen influencia en
la dureza y resistencia a la tensioacuten
25
1524 Niquelado en diferentes metales base
Debido a que el niacutequel es el maacutes extensamente aplicado a numerosos metales base solo algunos
ciclos empleados seraacuten considerados en esta seccioacuten [22]
Niquelado en acero El niacutequel puede ser depositado directamente sobre acero o sobre una
capa delgada o gruesa de cobre Debido a numerosas pruebas de corrosioacuten y a lo demostrado por
la experiencia se sabe que las capas de cobre ejercen menos proteccioacuten que una densidad igual de
niacutequel por lo tanto la tendencia actual es eliminar el cobre
Niquelado en hierro vaciado La dificultad de galvanizar sobre hierro vaciado estaacute
indudablemente asociada con la presencia de carbono liberado o grafito en el hierro Si eacuteste
permanece parcialmente embebido el niacutequel no se deposita tan faacutecilmente sobre el carboacuten o
carburos como en los cristales de hierro Por ello se utiliza una capa de cobre ya que mejora la
adhesioacuten del niacutequel al hierro vaciado La limpieza catoacutedica en caacuteustico fundido es algunas veces
efectiva y la saturacioacuten en aacutecido fluorhiacutedrico puede ayudar Por buena que sea la adhesioacuten del
niacutequel al hierro vaciado no es tan buena como en el acero
Niquelado en cobre y latoacuten La praacutectica maacutes comuacuten es aplicar el niacutequel directamente al
cobre o latoacuten seguido por la acostumbrada capa de cromo Ha sido demostrado concluyentemente
que las capas de cromo aplicadas directamente al latoacuten dan menos proteccioacuten contra la corrosioacuten
que cuando se aplica primero una capa de niacutequel
Niquelado en zinc y vaciados con base de zinc Se ha confirmado por muchas pruebas que
las capas adherentes de niacutequel pueden ser aplicadas directamente a troquelados de zinc usando un
alto-sulfato en bantildeo de niacutequel El principio de este bantildeo es la adicioacuten de suficiente sulfato de sodio
para reducir la actividad del ion niacutequel y aumentar la polarizacioacuten del caacutetodo De este modo se
evita que el zinc pase a la solucioacuten precipitando niacutequel oscuro Este bantildeo de alto sulfato de niacutequel
tiene una excelente conductividad y potencia de depoacutesito
Niquelado en magnesio El galvanizado de niacutequel u otros metales en magnesio o sus
aleaciones se hace difiacutecilmente por la alta actividad del magnesio y su consecuente tendencia a
depositar niacutequel u otros metales pesados por inmersioacuten Debido a la gran diferencia de potenciales
de solucioacuten del magnesio y de metales como el cobre niacutequel o cromo eacutestos pueden galvanizarse
sobre el magnesio cuya corrosioacuten se acelera raacutepidamente si hay algunos poros o discontinuidad en
26
los recubrimientos Mientas no se pueda demostrar que pueden producirse y mantenerse
recubrimientos electroliacuteticos casi impenetrables en el magnesio y sus aleaciones es de dudarse que
estos galvanizados puedan tener una aplicacioacuten industrial
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de materiales consiste en la obtencioacuten de informacioacuten acerca de un material
bajo estudio (composicioacuten estructura morfologiacutea y otras propiedades) a partir de la interaccioacuten de
una sentildeal (eleacutectrica luminosa teacutermica etc) con una porcioacuten de dicho material Por tanto toda
caracterizacioacuten de un material supone una agresioacuten es decir una perturbacioacuten del mismo El
estudio de la respuesta del material a dicha perturbacioacuten tiene la finalidad de dar a conocer las
propiedades del mismo para asiacute predecir si seraacute uacutetil o no en una determinada aplicacioacuten
Se puede asegurar que la ayuda de las nuevas teacutecnicas de caracterizacioacuten y anaacutelisis ha sido
indispensable en el disentildeo siacutentesis y procesado de estos materiales permitiendo un cuidadoso
control de sus propiedades e incluso en muchos casos con la posibilidad de fijar de antemano
alguna de sus caracteriacutesticas
161 Dureza
La dureza es una propiedad de los materiales soacutelidos y se define como la resistencia que oponen
estos materiales a ser deformados Una buena dureza significa generalmente que el material es
resistente al rayado y al desgaste [23]
1611 Ensayo de dureza Vickers
Este ensayo usa un indentador en forma de piraacutemide hecho de diamante Figura 112 (a) El ensayo
se basa en el principio de que las impresiones hechas por este indentador tienen geometriacuteas
similares independientemente de la carga aplicada En consecuencia se aplican varias cargas
dependiendo de la dureza del material a ensayar [24] la dureza Vickers se determina entonces con
la foacutermula
HV = 1854 119865
1198632
Donde F es la fuerza aplicada en kgf y D es la diagonal de la impresioacuten hecha por el
indentador en mm El ensayo Vickers puede usarse para todos los metales porque cuenta con una
de las escalas maacutes amplias entre los ensayos de dureza
Ec 16
27
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante un ensayo de dureza
162 Rugosidad
El acabado superficial de los cuerpos puede presentar errores de forma macro y micro geomeacutetricos
auacuten las superficies consideradas como ldquomuy lisasrdquo muestran cuando son analizadas a escala
sumamente fina una compleja diversidad de particularidades geomeacutetricas [25] Por lo tanto la
rugosidad es el conjunto de irregularidades en una superficie real
1621 El perfiloacutemetro
El rugosiacutemetro o perfiloacutemetro es por mucho el equipo maacutes utilizado en la industria para medir la
rugosidad de componentes comunes El principio de operacioacuten de este equipo es simple una fina
punta en contacto con la superficie a analizar realiza un barrido controlado en liacutenea recta y las
variaciones de alturas se convierten en sentildeales eleacutectricas que son debidamente registradas
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro
28
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB)
En el microscopio electroacutenico de barrido se construyen imaacutegenes aprovechando la emisioacuten de
electrones (electrones secundarios) de una muestra cuando sobre ella incide un haz enfocado de
electrones de alta energiacutea La muestra tambieacuten emite rayos X los cuales pueden ser analizados para
obtener informacioacuten sobre la composicioacuten del material [26] Cada sentildeal del MEB es captada con
un detector apropiado
Los electrones emitidos por la interaccioacuten del haz incidente y la muestra son colectados por
los correspondientes detectores para producir una sentildeal eleacutectrica la cual se utiliza para modular la
intensidad de un haz de electrones que incide en la pantalla de un tubo de rayos catoacutedicos (TRC)
de manera que mediante un barrido sincronizado del haz incidente en la superficie de una muestra
y del haz incidente en la pantalla del TRC se produce la imagen de la muestra [26]
La emisioacuten de electrones y de rayos X de la muestra se origina por las colisiones de
electrones del haz incidente con electrones de los aacutetomos del material de la probeta tal como se
puede observar en la Figura 114
Algunas colisiones son elaacutesticas de modo que algunos electrones del haz primario pueden
salir de la superficie de la muestra sin una significativa peacuterdida de energiacutea estos son los llamados
electrones reflejados Pero la mayoriacutea de las colisiones son inelaacutesticas y entre otros efectos
originan emisioacuten de electrones de baja energiacutea conocidos como electrones secundarios
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y fotones por la
interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
29
1631 Componentes baacutesicos del MEB
Cantildeoacuten de electrones que produce un haz con energiacutea entre 5 keV y 30 keV con un diaacutemetro
efectivo entre 01 microm y 10 microm
Lentes electromagneacuteticas condensadoras que reducen el diaacutemetro del haz de manera que en
la superficie de la muestra se tiene un diaacutemetro apropiado al aumento de la imagen
Apertura final la cual controla la divergencia del haz incidente en la muestra
Una lente objetivo que enfoca el haz en la superficie de la muestra
Sistema de barrido el cual permite la construccioacuten de la imagen en la pantalla del TRC por
el barrido del haz en la superficie de la muestra
Detectores de sentildeales emitidas por la muestra (Electrones secundarios electrones
reflejados rayos X etc)
Tubo de rayos catoacutedicos para presentacioacuten de la imagen
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica es una teacutecnica relativamente nueva que permite obtener
imaacutegenes de superficies a escala molecular [27] El microscopio consta esencialmente de una punta
de Si3N4 montada sobre un fleje Con esta punta se realiza un barrido sobre la superficie de la
muestra la cual se situacutea sobre un escaacutener piezoeleacutectrico El funcionamiento del microscopio se
basa en el control por un ordenador de la fuerza ejercida por la punta durante el barrido (Ver Figura
30
116) En el modo denominado de contacto la fuerza punta-muestra se mantiene constante
mediante un sistema de retroalimentacioacuten basado en los siguientes puntos
1) La variacioacuten de la fuerza punta-muestra se traduce en movimientos verticales y horizontales
del fleje que hacen variar la direccioacuten de un rayo laacuteser incidente sobre eacutel Estos cambios en
la direccioacuten del laacuteser son recogidos por un fotodetector y analizados por un ordenador
2) Los aumentos o disminuciones de fuerza son compensados por el ordenador que enviacutea una
sentildeal al piezoeleacutectrico para que acerque o aleje la muestra a la punta
3) Tanto las variaciones del haz luminoso como los movimientos controlados del
piezoeleacutectrico son convertidos por el ordenador en un mapa topograacutefico de la superficie
Figura 116 Funcionamiento de un MFA
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX)
El meacutetodo de difraccioacuten por rayos X es una herramienta poderosa para investigar la disposicioacuten
ordenada de los aacutetomos o moleacuteculas por medio de la interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica
para producir efectos de interferencia con estructuras comparables en tamantildeo a la longitud de onda
de la radiacioacuten
31
Al igual que con los tipos de radiacioacuten electromagneacutetica la interaccioacuten entre el vector
eleacutectrico de la radiacioacuten X y los electrones de la materia que atraviesa da lugar a una dispersioacuten
Cuando los rayos X son dispersados por el entorno ordenado de un cristal tienen lugar
interferencias (constructivas y destructivas) entre los rayos dispersados ya que las distancias entre
los centros de dispersioacuten son del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la radiacioacuten
La teacutecnica de difraccioacuten de rayos X aplicada al estudio de materiales permite obtener
informacioacuten importante sobre distintos aspectos de los mismos Para recubrimientos [28] eacutesta
teacutecnica es imprescindible para determinar
Tipo de estructura (FCC HCP etc)
Esfuerzos residuales
Microdeformaciones
Tamantildeo de grano
Fases presentes
Proporcioacuten relativa de las fases
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X
El fenoacutemeno de difraccioacuten es la interferencia entre las ondas que se genera cuando hay un objeto
en su trayecto Para comprender mejor esto supoacutengase dos planos reticulares 1 y 2 tal como en la
Figura 117 de un cristal con una distancia d entre ambos converge un haz de rayos X procedente
de A con un aacutengulo de incidencia θ este haz en parte se refleja sobre el primer plano hacia F y
en parte atraviesa y se refleja sobre el plano 2 hacia F3 y asiacute sucesivamente sobre los otros planos
[29]
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X
32
En el punto D se sobrepone un rayo reflejado por el primer plano reticular y el otro del
segundo cuya diferencia de camino despueacutes de la reflexioacuten es CD-ED Si tal diferencia es un
muacuteltiplo entero n de la longitud de onda λ de la radiacioacuten X los dos rayos en D estaraacuten en
concordancia de fase y sobreponieacutendose aumentaraacute su intensidad
Por el contrario si estaacuten en discordancia tenderaacuten a anularse Para que se verifique esta
condicioacuten es necesario que las magnitudes λ d θ y n satisfagan la relacioacuten de la Ley de Bragg
nλ = 2 d sen θ
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP)
La teacutecnica electroquiacutemica llamada Resistencia a la Polarizacioacuten es el resultado de la aproximacioacuten
de bajo campo a la ecuacioacuten de Butler-Volmer y por este motivo se debe aplicar solamente cuando
exista control activacional o por transferencia de carga
Los materiales que son susceptibles de ser evaluados mediante la aplicacioacuten de la RP deben
estar inmersos en electrolitos conductores es decir que la resistividad de las soluciones no sea alta
y deben encontrarse libres de peliacuteculas resistivas
1661 Procedimiento experimental
Para realizar un estudio experimental de Resistencia a la Polarizacioacuten lo mejor es acudir a la norma
ASTM G 59-91 [32] En general los pasos a seguir de acuerdo a la norma son los siguientes
Usar un puente salino que acerque el electrodo de referencia a 2 o 3 mm de la superficie
del electrodo de trabajo
Registrar el potencial de corrosioacuten despueacutes de 5 minutos
Aplicar un potencial 30 mV maacutes negativo que el potencial registrado
Un minuto despueacutes de que se aplique el potencial se inicia un barrido con direccioacuten anoacutedica
a 06 Vh (10 mVmin) registrando el potencial y la corriente continuamente
Terminar el barrido cuando se alcanza un valor de 30 mV positivo que el potencial de
corrosioacuten
Graficar la curva de polarizacioacuten
Determinar graacuteficamente la resistencia a la polarizacioacuten como la tangente a la curva en el
origen de la graacutefica
Ec 17
33
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE)
La teacutecnica de Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica es un meacutetodo electroquiacutemico
utilizado en estudios de corrosioacuten el cual se basa en el uso de una sentildeal de corriente alterna (CA)
que es aplicada a un electrodo (metal en corrosioacuten) y determinando la respuesta correspondiente
En el procedimiento experimental comuacutenmente utilizado se aplica una sentildeal sinusoidal de
voltaje y se mide su respuesta en corriente a diferentes frecuencias aunque es posible aplicar una
pequentildea cantidad de corriente y medir la respuesta del potencial El voltaje la corriente y la
frecuencia son relacionadas por la impedancia en una forma anaacuteloga a la ley de Ohm
V = IZ
Donde Z es la impedancia del circuito A diferencia de la resistencia la impedancia de un
circuito puede depender de la frecuencia aplicada
Cuando se aplica una sentildeal de CA incluso en un sistema de corrosioacuten sencillo se comporta
de manera maacutes complicada que una sola resistencia Pues existe tambieacuten una capacitancia la de la
doble capa electroquiacutemica (Cdl) que es debida a la carga de las especies existentes en la interfase
metal-electrolito y que se encuentra presente en todos los sistemas corrosivos Ademaacutes estaacute la
resistencia de la solucioacuten (Rs) para que se le permita La combinacioacuten de estos tres componentes
proporciona un circuito equivalente simple para un metal que se corroe Dicho circuito es una
combinacioacuten de elementos eleacutectricos tales como resistores y capacitores lo que da la misma
respuesta a sentildeales eleacutectricas como el metal real que se corroe [30] El circuito simple descrito
anteriormente se muestra en la Figura 118
Figura 118 Circuito equivalente simple
Los espectros de impedancia se pueden utilizar para identificar y cuantificar las
capacitancias en el sistema y para separar diferentes resistencias por ejemplo la resistencia de la
solucioacuten y la resistencia a la polarizacioacuten A altas frecuencias la resistencia de la solucioacuten se puede
cuantificar A frecuencias maacutes bajas los diferentes tipos de procesos se producen en diferentes
Ec 18
34
escalas de tiempo (en diferentes frecuencias) y puede ser posible identificar los procesos de
difusioacuten o los fenoacutemenos de adsorcioacuten y desorcioacuten [3031]
1671 Representaciones graacuteficas
Solamente existen dos maneras de representar los valores experimentales de la espectroscopia de
impedancia electroquiacutemica
1 Diagramas de Nyquist Tipo de representacioacuten maacutes comuacuten que consiste en graficar los
valores de la impedancia real frente a los de la impedancia imaginaria Estos diagramas
permiten identificar la resistencia del electrolito la resistencia a la transferencia de carga y
la resistencia a la polarizacioacuten [3031] en la mayor parte de los casos La Figura 119
muestra un ejemplo de este tipo de diagramas
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist
2 Diagramas de Bode En este tipo de representaciones se pueden obtener dos diagramas el
moacutedulo de la impedancia y el aacutengulo de fase (Figura 120) Tambieacuten en funcioacuten de la parte
real o la imaginaria pero en escala logariacutetmica Ambos graacuteficos son particularmente uacutetiles
cuando existen constantes de tiempo con valores muy proacuteximos que no se pueden distinguir
en los diagramas de Nyquist
35
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b) Moacutedulo de
impedancia
1672 Ecuacioacuten de Brug
Como bien se sabe el objetivo de los experimentos de EIS es a menudo extraer la capacitancia de
las peliacuteculas (posiblemente como una funcioacuten del potencial aplicado) y por lo tanto para obtener
informacioacuten sobre las propiedades dieleacutectricassemi-conductoras de dichas peliacuteculas Sin embargo
en diversos sistemas la estimacioacuten de la capacitancia es difiacutecil debido a que un comportamiento
de elemento de fase constante (CPE) se observa en lugar de un comportamiento capacitivo
Brug [33] propuso una foacutermula (Ec 19) que relaciona la resistencia del electrolito (Re) y
la resistencia a la transferencia de carga (Rtc) donde es posible calcular la capacitancia contenida
en el CPE
119862 = 1198761
120572[119877119890minus1 + 119877119905119888minus1]1minus120572
120572
Donde C es la capacitancia Q es el factor de Brug Re es la resistencia del electrolito Rtc
es la resistencia a la transferencia de carga y α es la pendiente de la impedancia calculada a bajas
frecuencias
Ec 19
36
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental
21 Preparacioacuten superficial de muestras
A partir de una laacutemina de acero 1018 de 150 x 1 m se cortaron 48 placas de 10 x 2 cm cada una
con una cizalla ya que se necesitaba que cada muestra fuera perfectamente paralela para el proceso
de electrodeposicioacuten
Las placas de acero presentaban una capa de oacutexido por lo que se siguioacute la norma ASTM
G1 [34] para decapar cada muestra durante 10 minutos en HCl al 50 (Ver figura 21) para
posteriormente lavarse con agua potable y asiacute pasar al lijado con granulometriacutea 180 240 320 400
y 600 Seguido de un lavado con agua destilada para eliminar residuos de material removido y
finalizando con un bantildeo de acetona para retirar cualquier resto de humedad y grasa
Figura 21 Decapado de muestras
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos
Para los electrodepoacutesitos con influencia de un campo magneacutetico se utilizaron dos imanes de
neodimio sin embargo no teniacutean sentildealizacioacuten alguna para diferenciar sus polos ni se conociacutea el
valor del campo Entonces se utilizoacute una bruacutejula para determinar el norte y sur de cada imaacuten asiacute
como se aprecia en la Figura 22
37
Figura 22 Determinacioacuten de los polos
Y el campo magneacutetico se midioacute con un gausiacutemetro Marca RFL modelo 91 (Figura 23)
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico
23 Preparacioacuten del electrolito
Para el proceso de electrodeposicioacuten se empleoacute un bantildeo Watts estaacutendar [35] cuya composicioacuten se
presenta en la Tabla 21
38
Para la deposicioacuten electroliacutetica sin campo se preparoacute un litro de solucioacuten y para la que teniacutea
influencia de campo magneacutetico se hicieron dos litros
24 Obtencioacuten de recubrimientos
Para las electrodeposiciones se utilizoacute una fuente de poder marca Good Will Instrumets modelo
GPR-3510HD En cuya terminal negativa se conectoacute el caacutetodo (acero 1018) y en la positiva el
aacutenodo (niacutequel soacutelido Figura 24) Ambos electrodos se colocaron paralelamente cara con cara
Figura 24 Rondelas de niacutequel
Los electrodepoacutesitos de niacutequel sobre acero 1018 con y sin influencia de campo magneacutetico
se llevaron a cabo a voltaje constante siendo eacuteste de 4 V midiendo la corriente resultante al
finalizar el proceso las muestras se lavaron con agua destilada y se dejaron secar al ambiente Se
realizaron seis condiciones diferentes tal como lo muestra la Tabla 22
En el caso de los electrodepoacutesitos en presencia de campo magneacutetico se utilizaron dos
imanes de Neodimio (Valor fluctuante de 15 a 34 T) los cuales se instalaron en la cuba
electroliacutetica el polo norte cerca del aacutenodo y el polo sur del caacutetodo tal como lo muestra la Figura
25
39
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con imanes de
neodimio
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos
Las muestras electrodepositadas con y sin presencia de campo magneacutetico se fijaron a una celda
de acriacutelico con un aacuterea de exposicioacuten de 133 cm2 en dicha celda se vertioacute una solucioacuten de NaCl
al 3 en peso se colocoacute una tapa y se introdujeron un electrodo de referencia de AgAgCl y un
contra-electrodo de grafito Dicha celda se conectoacute a un potenciostato marca Bio-logic modelo
SP-150 controlado mediante una computadora de escritorio con su respectivo software El
dispositivo utilizado para las pruebas se puede ver en la Figura 26a
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el electrodo de
referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo (ET)
40
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
Se utilizoacute la teacutecnica de RP en modo potenciodinaacutemico en un intervalo de plusmn 20 mVEcorr a una
velocidad de barrido de 01667 mVs haciendo la respectiva curva de polarizacioacuten mediante la
computadora Previo a esto el electrodo de trabajo se dejoacute estabilizar en el electrolito (NaCl al 3
peso) durante 30 minutos
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica
Al teacutermino de la medicioacuten de la RP el electrodo de trabajo se dejoacute a circuito abierto durante 15
minutos Posteriormente se utilizoacute la teacutecnica EIE en un intervalo de frecuencias de 50 kHz a 50
mHz a 7 puntos por deacutecada y 10 mV de perturbacioacuten
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos
Para la caracterizacioacuten superficial las placas se cortaron en una maacutequina dobladora a una medida
de 2 x 2 cm para asiacute poder ingresar a ciertos equipos Se eligioacute una muestra de cada condicioacuten
tanto con y sin influencia de campo magneacutetico
261 Dureza
Los estudios de dureza fueron obtenidos con un microduroacutemetro de Vickers marca
Mitutoyo Colocando las placas en el portamuestras del microscopio se hizo incidir el indentador
de diamante aplicando una carga de 10 kgf durante 20 s para un acero suave [36] Este
procedimiento se realizoacute 5 veces por muestra para obtener un promedio de dureza
262 Rugosidad
Se utilizoacute un rugosiacutemetro marca Mitutoyo modelo Surftest-402 Las muestras se colocaron
en una superficie plana y sobre ella se situoacute el palpador con punta coacutenica tal como lo muestra la
Figura 27 posteriormente se calibroacute dicha punta y entonces el equipo realizoacute un pequentildeo recorrido
sobre la superficie con el que determinoacute la rugosidad de cada muestra en microm
41
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido
Para esta caracterizacioacuten de las placas se utilizoacute el Microscopio Electroacutenico de Barrido de
alto-bajo vaciacuteo Jeol JSM 6610LV con un voltaje de 20 kV y una distancia de trabajo de 10 mm
Las placas se colocaron en un portamuestras (Figura 28) y se analizaron a alto vaciacuteo Las imaacutegenes
se formaron con una sentildeal de electrones secundarios a 500 1000 y 5000X
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
Se utilizoacute un Microscopio de Fuerza Atoacutemica marca Asylum Research modelo Cypher que cuenta
con una punta de silicio que tiene una constante de 2 Nm (conforme se va desgastando va
disminuyendo su valor)
Para las muestras sin influencia de campo magneacutetico se utilizoacute el modo contacto es decir
la fuerza entre la punta y la muestra son constantes En el caso de las muestras con influencia de
campo magneacutetico que mostraron una superficie menos rugosa y maacutes faacutecil de medir
topograacuteficamente se usoacute el modo no contacto por lo que la punta no tocaba la muestra sino que
42
oscilaba a una distancia de entre 1 y 10 nm Todas las imaacutegenes se obtuvieron en un aacuterea de 10 x
10 microm a una velocidad de barrido de 10 Hz escaneando 512 liacuteneas generadas por 512 puntos en
zonas especiacuteficas
265 Difraccioacuten de rayos X
Para esta caracterizacioacuten se utilizoacute un difractoacutemetro de rayos X marca Siemens modelo D5000
Las condiciones de operacioacuten fueron las siguientes velocidad de barrido de 05 s incrementos de
0035cps 35 kV y 25 mA El intervalo de aacutengulo seleccionado fue 2θ = 30 a 120deg que es el
rango donde aparecen la mayoriacutea de los picos caracteriacutesticos del niacutequel [37]
43
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten
Para una mejor comprensioacuten de los resultados eacutestos se presentan de manera comparativa en
funcioacuten del tiempo de electrodeposicioacuten con y sin campo magneacutetico analizando dichos
recubrimientos con las teacutecnicas electroquiacutemicas planteadas en el capiacutetulo de metodologiacutea
experimental tambieacuten se realizaron anaacutelisis del comportamiento de las propiedades fiacutesicas tales
como dureza rugosidad y espesor para determinar la influencia del campo magneacutetico durante la
electrodeposicioacuten de niacutequel
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos
La Figura 31b muestra las reacciones que se llevaron a cabo en el proceso de electrodeposicioacuten
Como ya se sabe en el aacutenodo se lleva a cabo la oxidacioacuten del niacutequel y en el caacutetodo la reduccioacuten
del mismo Sin embargo en el caacutetodo tambieacuten se lleva a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten del
hidroacutegeno ya que el medio usado para la electrodeposicioacuten es aacutecido (pH = 3) por ello la eficiencia
en el caacutetodo no es del 100
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni
311 Caacutelculo de masa depositada
Para conocer la masa de Ni depositada en el acero 1018 se realizaron mediciones de peso antes y
despueacutes de que las placas fueran sometidas al proceso de electrodeposicioacuten Sin embargo como el
aacuterea de electrodepoacutesito no es la misma en todas las placas se compara la masa depositada por
centiacutemetro cuadrado tal como lo muestra la Tabla 31
44
En la tabla 31 se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten de
niacutequel la masa por unidad de aacuterea aumenta Esto se cumple para ambas temperaturas (30degC y 60degC)
y ambas condiciones (sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico) sin embargo se demostraraacute
maacutes adelante que el aumento de masa no es garantiacutea de una reduccioacuten de la velocidad de corrosioacuten
(Grafico 31) Es importante sentildealar que tanto a 30degC como a 60degC la masa de niacutequel disminuye
cuando se utiliza el campo mageacutentico sin embargo a 30degC esto no se cumple debido a que hay un
aumento de masa
312 Eficiencia en corriente
Es importante mencionar que en todos los electrodepoacutesitos la corriente final era menor que la
inicial Dicha caiacuteda de corriente se debioacute a la formacioacuten de una capa de oacutexido en el aacutenodo Figura
32 lo que ocasionoacute una disminucioacuten en la entrega de cationes (Ni2+) a la solucioacuten
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido
La eficiencia en corriente se evaluoacute con la foacutermula del Anexo 1-A y se tomoacute el valor de la
corriente inicial para dicho caacutelculo Los resultados se muestran en la Tabla 32 Mientras que
Ferreira y Colnago [12] reportaron obtener eficiencias del doble para sus peliacuteculas de cobre en
45
este caso se puede notar que la presencia del campo magneacutetico provoca una disminucioacuten en el
rendimiento del sistema
La fuente de poder se debe regular para poder otorgar los 4 V que el proceso de
electrodeposicioacuten requiere y desde el momento en que se enciende el aparato empieza a mandar
corriente Por ello ciertas eficiencias sobrepasan el 100 pues el tiempo de ajuste se excedioacute maacutes
de 50 segundos
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
En la Figura 33 se observan los resultados de la resistencia a la polarizacioacuten en funcioacuten de la
temperatura y del tiempo de exposicioacuten A 60degC se observa que el campo magneacutetico provoca una
disminucioacuten de la resistencia a la polarizacioacuten para los diferentes tiempos de electrodepoacutesito
realizados lo cual se traduce en un aumento de la velocidad de corrosioacuten de acuerdo con la
ecuacioacuten de Stern y Geary (Ec 14) Este efecto de disminucioacuten de la Rp tambieacuten se observa en
los datos a 30degC con excepcioacuten del tiempo 7 minutos
46
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal
En la Tabla 33 se presentan las variaciones de icorr y Vcorr sin campo magneacutetico y en
presencia de campo magneacutetico a 30deg y 60deg en funcioacuten del tiempo de electrodepoacutesito
En la Graacutefica 31 se puede observar que a 60degC con mayor tiempo de electrodeposicioacuten de
Ni disminuye la Vcorr Sin embargo se puede notar que con la presencia del campo las velocidades
de corrosioacuten son mayores pero respetando la tendencia antes mencionada
60degC17min CM
60degC17min SC
60degC12min CM
60degC12min SC
60degC7min CM
60degC7min SC
30degC17min CM
30degC17min SC
30degC12min CM
30degC12min SC
30degC7min CM
30degC7min SC
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Rp (Ohm cm2)
47
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de electrodeposicioacuten
La tabla 34 muestra los valores de Ecorr para ambas temperaturas (30degC y 60degC) y en las
dos condiciones ensayadas (sin campo y con campo) Sin campo magneacutetico y con excepcioacuten de
30degC y 17 min se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten el Ecorr se
desplaza hacia valores menos negativos al mismo tiempo que la Vcorr disminuye (Tabla 33) De
acuerdo con la Teoriacutea de Potencial Mixto explicada por Evans el sistema se encuentra bajo un
control tipo anoacutedico es decir que la reaccioacuten de oxidacioacuten de niacutequel se desplaza para dar un Ecorr
menos negativo al mismo tiempo que reduce la Vcorr
1198731198942+ + 2119890minus harr 119873119894deg
Sin embargo a 30degC y 17 min el sistema se encuentra bajo control catoacutedico debido a que
persiste la disminucioacuten de Vcorr ahora con un cambio en el potencial hacia valores maacutes negativos
Al comparar los valores de Ecorr sin campo magneacutetico con los de campo magneacutetico se observa que
para la temperatura 60degC los valores de Ecorr se desplazan hacia valores maacutes electronegativos
Como se discutioacute anteriormente esto se debe a un control cineacutetico tipo anoacutedico Cuando se
considera la temperatura de 30degC se observa un desplazamiento hacia valores menos negativos es
7min 12min 17min
000
002
004
006
008
010
Vco
rr (
mm
an
o)
Tiempo de electrodeposicion
60degC Sin campo
60degC Con campo
30degC Sin campo
30degC Con campo
48
decir la cineacutetica estaacute controlada por la reaccioacuten catoacutedica Diversos trabajos reportan este mismo
efecto en donde el campo magneacutetico tiene un efecto sobre la reaccioacuten de reduccioacuten de oxiacutegeno
1198742 + 21198672119874 + 4119890minus harr 4119874119867minus
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica
Como se mencionoacute previamente en el apartado 167 referente a la teacutecnica de impedancia
mediante esta teacutecnica es posible evidenciar y cuantificar el efecto que tiene la capacitancia de una
interface electroquiacutemica y asiacute proporcionar informacioacuten complementaria al estudio de corrosioacuten
Las graacuteficas 32 33 y 34 correspondientes a los diagramas de Nyquist obtenidos en los
tres diferentes tiempos de electrodeposicioacuten a 60degC con y sin influencia de campo magneacutetico
Revelan en los tres casos que el campo magneacutetico disminuye la resistencia a la transferencia de
carga (Rtc) es decir el proceso de corrosioacuten se ve favorecido tal como se pudo mostrar en los
resultados de resistencia a la polarizacioacuten De igual manera se observa una disminucioacuten en la
resistencia del electrolito (Rs) esto debido a la fuerza convectiva (visible) que ejerce el campo
magneacutetico en el electrolito el cual provoca una mejor difusioacuten de los iones dicha informacioacuten es
consistente a lo reportado por Calivar e Ispas [67]
49
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
500
1000
1500
2000 50 mHz
60degC 7min SC
60degC 7min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
1000
2000
3000
50 mHz
60degC 12min SC
60degC 12min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
50 kHz
50 mHz
Re(Z) (Ohm cm2)
50
Graacutefica 34 EIE de 60degC 17min
34 Dureza Rugosidad y Espesor
La Tabla 35 muestra que la aplicacioacuten de un campo magneacutetico durante el proceso de
electrodeposicioacuten de niacutequel provoca que la dureza disminuya lo que significa que el recubrimiento
es menos susceptible a fracturarse este resultado es similar a lo reportado por Zielinski [11] y la
disminucioacuten de fracturas en sus peliacuteculas de Co-W ante la presencia de un campo magneacutetico
Tambieacuten es importante sentildealar que la rugosidad de cada niquelado presentoacute un
empobrecimiento lo que significa que el campo magneacutetico ayuda a obtener recubrimientos maacutes
uniformes
0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000
0
3000
6000
9000
12000
15000
18000 50 mHz
60degC 17min SC
60degC 17min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
51
Los espesores fueron calculados mediante la foacutermula que aparece en el Anexo 1-B y se
puede notar que eacuteste decrece ante la presencia del campo magneacutetico Esto se puede constatar de
igual forma a partir de los datos de impedancia los cuales permitieron calcular los valores de
capacitancia a partir de la ecuacioacuten de Brug (Ec 19) cuyos resultados se muestran en la Tabla
36
Como se puede observar los valores de capacitancia con el campo magneacutetico son mayores
en un orden de magnitud que aquellos donde no existe el campo permitiendo confirmar que el
espesor maacutes delgado se encuentra con la influencia del campo
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
A continuacioacuten se muestran las imaacutegenes topograacuteficas obtenidas en el MFA Con lo cual se puede
corroborar que ocurre una disminucioacuten en la rugosidad de las peliacuteculas de niacutequel con presencia de
campo magneacutetico
52
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC-7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC-12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC-17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
36 Difraccioacuten de Rayos X
Los patrones de difraccioacuten de los recubrimientos de Ni en acero 1018 Figura 37 se caracterizan
por la presencia de los planos de la estructura cuacutebica centrada en las caras de acuerdo al PDF 03-
065-4899 [32] Esta fase cristalina estuvo presente en todos los recubrimientos
De acuerdo con lo reportado por Hu [33] la energiacutea de activacioacuten para la evolucioacuten de
hidroacutegeno es mayor en el plano (111) que en el plano (200) del Ni Dicho de otra manera en el
53
plano (200) habraacute maacutes produccioacuten de hidroacutegeno gaseoso durante el proceso de electrodeposicioacuten
de niacutequel lo que trae consigo posiblemente recubrimientos porosos
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia de campo
magneacutetico
Para los depoacutesitos en presencia de campo magneacutetico a 7 y 12min se observa una orientacioacuten
preferencial en el plano (200) sin embargo el pico a 7min es mucho mayor que el de 12
comparando estos resultados con las pruebas electroquiacutemicas y de acuerdo a los reportado por Hu
[33] esto nos lleva a suponer que en este caso el recubrimiento es maacutes poroso y delgado de acuerdo
a las medidas de espesor (Tabla 35) Para el caso de 17min con campo magneacutetico se tiene una
orientacioacuten preferencial en el plano (111) esta muestra tiene un mejor comportamiento
electroquiacutemico de acuerdo a la Figura 33 ademaacutes de acuerdo a lo reportado por Hu [33] nos lleva
a deducir que este recubrimiento es el menos poroso de los tres con campo magneacutetico Lo anterior
explica por queacute la velocidad de corrosioacuten es mayor a 7min y va disminuyendo conforme aumenta
el tiempo de electrodeposicioacuten Y tambieacuten revela la causa por la que el potencial de corrosioacuten es
maacutes negativo en presencia del campo magneacutetico La porosidad tambieacuten nos explica la razoacuten por la
cual la dureza de los recubrimientos hechos en presencia del campo magneacutetico disminuye con
respecto a aquellos realizados en ausencia del mismo
40 45 50 55 600
4000
8000
12000
16000
20000
17min SC
17min CM
12 min CM
12 min SC
7min CM
Inte
nsid
ad
(U
A)
2 (grados)
60degC-7min SC
60degC-12min SC
60degC-17min SC
60degC-7min CM
60degC-12min CM
60degC-17min CM
Ni
7min SC
(111) (200)
54
La existencia de los poros en el recubrimiento propicia un par galvaacutenico Figura 38 entre
el niquelado electroliacutetico y el acero 1018 ya que este uacuteltimo es maacutes electronegativo por
consiguiente maacutes propenso a la corrosioacuten Tambieacuten estaacute el efecto de las diferencias de aacutereas entre
aacutenodo (acero) y caacutetodo (niquelado) siendo en este caso el caacutetodo quien posee mayor aacuterea de
exposicioacuten al ambiente es el aacutenodo quien se corroeraacute maacutes faacutecil y raacutepidamente
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni
37 Microscopia Electroacutenica de Barrido
Las Figuras 39 310 y 311 muestran las imaacutegenes obtenidas en el MEB de los recubrimientos de
Ni a 60degC 7min 12min y 17min respectivamente Se aprecia una morfologiacutea maacutes uniforme con la
presencia de campo magneacutetico y las aglomeraciones de partiacuteculas metaacutelicas son mucho maacutes
grandes que sus homoacutelogos sin influencia del campo
55
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y sin influencia
de campo magneacutetico
56
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min con y sin
influencia de campo magneacutetico
57
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min con y sin
influencia de campo magneacutetico
58
Conclusiones
A partir de los resultados experimentales obtenidos en el presente trabajo se puede concluir lo
siguiente
La eficiencia de electrodepositacioacuten es funcioacuten de la pureza del aacutenodo y de la corriente
aprovechada por la reaccioacuten de reduccioacuten de hidroacutegeno
El aumento en el tiempo de electrodepositacioacuten conduce a un aumento en la masa de niacutequel
electrodepositada esto es vaacutelido para la condicioacuten sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico
sin embargo esto no garantiza la disminucioacuten de Vcorr
Sin campo magneacutetico los resultados obtenidos a 30degC y 60degC muestran que la Vcorr
disminuye conforme el tiempo de electrodepoacutesito de niacutequel aumenta Tambieacuten en ausencia del
campo las Vcorr obtenidas a 30degC son menores comparadas con las Vcorr a 60degC a excepcioacuten de
17 min
Sin campo magneacutetico se observa que la degradacioacuten del niquelado estaacute controlada por una
cineacutetica anoacutedica lo cual es vaacutelido para 30degC y para 60degC con excepcioacuten de 30degC y 17 min donde
la cineacutetica que controla es catoacutedica Asimismo a 30degC con campo magneacutetico se observa que la
cineacutetica que controla el sistema es la catoacutedica lo cual sugiere que la reaccioacuten de reduccioacuten de
oxiacutegeno ser manipulada por el campo magneacutetico
En presencia del campo magneacutetico se encontroacute que la resistencia de la solucioacuten disminuyoacute
tanto a 30degC como a 60degC debido a una fuerza adicional convectiva que provoca el campo
magneacutetico
La Vcorr es dependiente de la cantidad de masa depositada pero tambieacuten del ordenamiento
cristalino que los aacutetomos de niacutequel adquieren al momento del electrodepoacutesito
En presencia del campo magneacutetico las micrografiacuteas MEB revelan superficies con menos
rugosidad respecto a las muestras sin campo magneacutetico
A 60degC hay poca o nula contribucioacuten del campo magneacutetico mientras que a 30degC si hay una
contribucioacuten del campo pero es negativa respecto a la Vcorr
59
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62
Anexo 1 Caacutelculos
1-A Caacutelculo de eficiencia
En la praacutectica la corriente suministrada a un sistema no es aprovechada al 100 pues hay
peacuterdidas de corriente por diversos motivos entre otros
a) Desviacioacuten de corriente por caminos secundarios
b) Impurezas de las soluciones (las cuales dan reacciones secundarias)
c) Resistencia eleacutectrica propia del bantildeo electroliacutetico
d) Peacuterdidas por transformacioacuten de energiacutea eleacutectrica a energiacutea caloriacutefica
e) Fenoacutemenos de polarizacioacuten
Entonces se puede decir que
Eficiencia en corriente = 119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119905119890oacute119903119894119888119886
119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119904119906119898119894119899119894119904119905119903119886119889119886 119903119890119886119897x100
1-B Caacutelculo de Espesor
El meacutetodo maacutes satisfactorio para medir el espesor promedio de una capa es disolverla y determinar
el peso de la misma a partir de una muestra cuya aacuterea se conozca en el caso de este estudio se
pesaron las placas antes y despueacutes del electrodepoacutesito para determinar la masa depositada El
espesor se calcula asiacute a partir del peso y del aacuterea y de la densidad o peso especiacutefico del depoacutesito
utilizando la foacutermula
T (espesor) = 119862119882 (119901119890119904119900)
119860(aacute119903119890119886)times119863(119901119890119904119900 119890119904119901119890119888iacute119891119894119888119900)
En donde C es una constante que depende simplemente de las unidades utilizadas En
unidades meacutetricas la ecuacioacuten se transforma en
T(mm) = 10119882(119892119903)
119860(1198881198982)times119863
63
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 7min
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 12min
-0000006 -0000003 0000000 0000003
-040
-038
-036
-034
-032
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
-0000004 -0000002 0000000 0000002
-035
-034
-033
-032
-031
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
64
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 17min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 7min
-00000006 -00000003 00000000 00000003 00000006
-026
-024
-022
-020
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
-00000027 -00000018 -00000009 00000000 00000009 00000018
-028
-024
-020
-016
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
65
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 12min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 17min
-0000004 -0000002 0000000 0000002 0000004
-038
-036
-034
-032
-030
-028
-026
-024
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
-0000006 -0000003 0000000 0000003 0000006 0000009
-032
-031
-030
-029
-028
-027
-026
-025
-024
-023
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
x
Iacutendice de Figuras
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver 5
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes
(izq) Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico
aplicado
6
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas
(izq) Con campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
6
Figura 14 El campo magneacutetico 7
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca 9
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda 10
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten 11
Figura 18 Celda galvaacutenica 13
Figura 19 Celda electroliacutetica 14
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de
sacrificio de magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
18
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre 20
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante ensayo de dureza
27
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro 27
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y de
fotones por la interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
28
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB 29
Figura 116 Funcionamiento de un MFA 30
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X 31
Figura 118 Circuito equivalente simple 33
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist 34
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b)
Moacutedulo de impedancia
35
Figura 21 Decapado de muestras 36
xi
Figura 22 Determinacioacuten de los polos 37
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico 37
Figura 24 Rondelas de niacutequel 38
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con
imanes de Neodimio
39
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el
electrodo de referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo
(ET)
39
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad 41
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB 41
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni 43
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido 44
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal 46
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC 7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC 12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC 17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia
de campo magneacutetico
53
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni 54
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y
sin influencia de campo magneacutetico
55
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min
con y sin influencia de campo magneacutetico
56
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min
con y sin influencia de campo magneacutetico
57
xii
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de
electrodeposicioacuten
47
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min 49
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min 49
Graacutefica 34 EIE de 60degC a 17min 50
xiii
Nomenclatura
Ni ndash Niacutequel
T ndash Tesla
M ndash Metal
A ndash Ampere
Ec ndash Ecuacioacuten
ER ndash Electrodo de Referencia
ET ndash Electrodo de Trabajo
EA ndash Electrodo Auxiliar
Ecorr ndash Potencial de corrosioacuten
Vcorr ndash Velocidad de corrosioacuten
Rp ndash Resistencia a la polarizacioacuten
Rtc ndash Resistencia a la transferencia de carga
Rs ndash Resistencia del electrolito o de la solucioacuten
EIE ndash Espectroscopiacutea de impedancia electroquiacutemica
MFA ndash Microscopiacutea de fuerza atoacutemica
DRX ndash Difraccioacuten de rayos X
MEB ndash Microscopiacutea electroacutenica de barrido
SC ndash Sin campo magneacutetico
CM ndash Con campo magneacutetico
HV ndash Dureza Vickers
xiv
Resumen
En este estudio se obtuvieron recubrimientos de niacutequel con y sin presencia de campo magneacutetico a
60degC a 7 12 y 17 min sobre sustratos de acero al carbono AISI 1018 a partir de una solucioacuten tipo
Watts claacutesica Las propiedades de los recubrimientos se estudiaron mediante DRX MEB MFA
duroacutemetro y rugosiacutemetro tambieacuten se estudioacute el comportamiento electroquiacutemico de las peliacuteculas
mediante RP y EIE y ademaacutes se realizaron caacutelculos de capacitancia icorr velocidad de corrosioacuten
y espesor En general el campo magneacutetico tiene una influencia negativa en las propiedades fiacutesicas
y quiacutemicas de un electrodeposito de Ni en acero AISI 1018 Los detalles son discutidos en esta
investigacioacuten
Abstract
In this study nickel coatings were obtained with and without the presence of magnetic field at 60degC
for 7 12 and 17 min on substrates of AISI 1018 carbon steel from a classical type Watts solution
The properties of the coatings were studied by XRD SEM AFM hardness tester and roughness
tester the electrochemical behavior of the films was also studied through RP and EIE and also
capacitance calculations icorr corrosion rate and thickness were made In general the magnetic
field has a negative influence on the physical and chemical properties of an electrodeposited Ni
steel AISI 1018 The details are discussed in this research
1
Introduccioacuten
En los Reactores de agua en ebullicioacuten (BWR por sus siglas en ingleacutes) la radioacutelisis del agua
produce un medio altamente oxidante [1] que genera que los materiales estructurales presenten un
elevado potencial electroquiacutemico de corrosioacuten (PEC) cuando estaacuten en contacto con el agua en el
BWR Este PEC incrementa la propensioacuten a experimentar agrietamiento por corrosioacuten bajo
esfuerzos (SCC) [2] y agrietamiento por corrosioacuten intergranular bajo esfuerzos (IGSCC) [3] en los
materiales de los componentes internos tales como acero inoxidable aleaciones base niacutequel y las
zonas afectadas por el calor (HAZ) propias de un proceso de soldadura Ademaacutes en las condiciones
de alta temperatura del reactor BWR se forma una capa de oacutexido que puede ser hematita en
condiciones de alto oxiacutegeno o magnetita en condiciones de bajo oxiacutegeno Este segundo oacutexido es
un imaacuten por naturaleza por lo que este estudio contribuiraacute ademaacutes a discernir y en dado caso a
explicar si la presencia de un oacutexido magneacutetico o de otro que no lo sea tiene una influencia en la
deposicioacuten de recubrimientos alternos para mitigar el agrietamiento por corrosioacuten bajo esfuerzos
(SCC por sus siglas en ingleacutes) de los materiales de componentes internos de reactores BWR
El electrodepoacutesito de niacutequel sobre una superficie metaacutelica se hace con el fin de proteger las
piezas de la corrosioacuten pues posee buenas propiedades anticorrosivas y buena resistencia al
desgaste Los recubrimientos de niacutequel se utilizan en numerosos sectores industriales electroacutenica
componentes eleacutectricos petroquiacutemica automocioacuten etc [4] Por ello el presente trabajo muestra la
utilizacioacuten de un campo magneacutetico de 15 a 34 T (Valor fluctuante) para la obtencioacuten de
recubrimientos de Ni en acero un acero bajo carbono especiacuteficamente el AISI 1018 Las
propiedades de dichos recubrimientos se evaluaron mediante teacutecnicas electroquiacutemicas como Rp y
EIE para determinar las velocidades de corrosioacuten de las peliacuteculas De igual manera se estudiaron
los recubrimientos mediante DRX MEB y MFA Para finalmente establecer la influencia positiva
o negativa de dicho campo magneacutetico en los procesos de deposicioacuten electroliacutetica
2
Justificacioacuten
Para mitigar el SCC de los componentes internos de los BWR [5] en la actualidad se antildeaden sales
como precursores metaacutelicos por ejemplo Na2Pt(OH)6 que se transforman en partiacuteculas metaacutelicas
al entrar en contacto con el acero debido a la diferencia de potencial entre Fe y Pt [6] adhirieacutendose
al acero estructural por medio de procesos de precipitacioacuten Estas partiacuteculas catalizan las reacciones
de recombinacioacuten de especies oxidantes disminuyendo los procesos de corrosioacuten del acero sin
embargo los catalizadores basados en Pt tienen el inconveniente de costo elevado [7]
En este sentido una posible opcioacuten es la electrodeposicioacuten de un metal sobre la superficie
que se interesa proteger pero la efectividad de estos depoacutesitos depende de la preparacioacuten de la
superficie y de aspectos teacutecnicos ya estandarizados en normativas por ejemplo la Norma ISO
1458-1974 ldquoMetallic coatingsrdquo Si bien son de los mejores meacutetodos para proteger un metal auacuten
presentan diversas anomaliacuteas que generan superficies porosas falta de cohesioacuten y peliacuteculas
amorfas lo que conlleva a altos costos de produccioacuten debido a que se debe repetir el proceso y
contaminacioacuten ambiental a causa de los reactivos quiacutemicos usados para limpiar nuevamente la
superficie a recubrir
Debido a lo anterior este estudio tiene por objeto determinar si el campo magneacutetico influye
o no en las propiedades de adherencia rugosidad y eficiencia de un electrodepoacutesito de niacutequel
Siendo los mayores beneficiarios con este trabajo investigativo el ambiente la industria
galvanoplaacutestica y la comunidad electroquiacutemica
3
Objetivo General
Evaluar el efecto de un campo magneacutetico sobre las propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero bajo carbono especiacuteficamente en un acero AISI 1018
Objetivos Especiacuteficos
1- Elaborar electrodepoacutesitos de niacutequel en acero 1018 con y sin presencia de campo magneacutetico
2- Evaluar los electrodepoacutesitos mediante corriente directa y alterna
3- Analizar los electrodepoacutesitos por medio de pruebas fiacutesicas y quiacutemicas
4- Determinar el efecto de un campo magneacutetico en un electrodepoacutesito de niacutequel
4
Hipoacutetesis
El campo magneacutetico provoca una orientacioacuten en los iones yo moleacuteculas del electrolito destinado
a la electrodeposicioacuten con ello se modifican ciertas propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero 1018
5
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico
11 Antecedentes
El efecto de un campo magneacutetico sobre la orientacioacuten de las moleacuteculas durante un proceso de
formacioacuten de un producto ha sido muy poco estudiado En la industria se encuentran algunos casos
sin que haya reportes formales A continuacioacuten se discutiraacuten algunos de ellos
El ldquoFuel Energy Saverrdquo (Figura 11) es un producto de la compantildeiacutea mexicana ldquoEnergy
Saverrdquo se trata de un inductor de resonancia magneacutetica de alta potencia que genera frecuencias
especiacuteficas la cual fractura las cadenas de hidrocarburos alineando y haciendo todas las moleacuteculas
maacutes accesibles al oxiacutegeno lo que se traduce en una mejor combustioacuten con el consiguiente ahorro
de combustible y reduccioacuten de contaminacioacuten [8] Es aplicable para cualquier tipo de combustible
(gas natural gas LP dieacutesel combustoacuteleo gasoacuteleo) y puede ser usado en todo equipo de iacutendole
industrial (hornos calderas calentadores secadores estufas)
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver
Algunas empresas del ramo automotriz (por ejemplo Mercedes Benz) estaacuten empleando el
principio del FES para que por medio un campo magneacutetico se orienten las moleacuteculas del
combustible y de oxiacutegeno antes de que eacutestas sean consumidas La explicacioacuten a este fenoacutemeno fue
dada por Kita amp Kulish [9] que consiste en lo siguiente el combustible se consumiraacute a medida que
haya oxiacutegeno disponible Si en lugar de que el oxiacutegeno se alimente de manera ldquodesordenadardquo eacuteste
pudiera ser orientado antes de entrar a la caacutemara de combustioacuten se lograriacutea un mejor consumo de
combustible-oxiacutegeno lo cual se traduce en mayor potencia en el motor y un mejor
aprovechamiento del combustible es decir habriacutea menor cantidad de contaminantes (NOx y CO2)
en el escape
6
Otro ejemplo del uso de campos magneacuteticos se puede encontrar en la formacioacuten de
calcaacutereos en intercambiadores de calor La industria que sufre de formacioacuten de dichos productos
tambieacuten ha encontrado beneficios con el uso de un campo magneacutetico colocado en el depoacutesito de
agua y se observa que los productos calcaacutereos se desvanecen tal como se aprecia en la Figura 12
La explicacioacuten a este efecto se atribuye nuevamente a la reorientacioacuten de las moleacuteculas dando como
consecuencia una estructura amorfa en lugar de una cristalina caracteriacutestica de los calcaacutereos [10]
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes (izq)
Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico aplicado
Por el lado de las investigaciones cientiacuteficas se tiene el anaacutelisis del efecto de un campo
magneacutetico de 12 T en la electrodeposicioacuten y estructura de las aleaciones cobalto-tungsteno con
ello Zielinski [11] pudo establecer que la aplicacioacuten del campo magneacutetico cambioacute la composicioacuten
quiacutemica y la morfologiacutea de las aleaciones Co-W
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas (izq) Con
campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
7
De la misma manera Ferreira y Colnago [12] estudiaron la influencia del campo magneacutetico
de una resonancia magneacutetica nuclear (RMN) durante la reaccioacuten electroliacutetica del cobre Sus
resultados fueron exitosos pues la reaccioacuten en presencia de un campo magneacutetico de 023 T tuvo
un rendimiento del doble que la de la reaccioacuten en ausencia de dicho campo
Finalmente pero no menos importantes Calivar [13] con su creacioacuten de modelos de
conveccioacuten magneacutetica en electrodeposicioacuten de peliacuteculas delgadas de cobre y tambieacuten Ispas [14]
con su estudio del efecto de un campo magneacutetico de 05 T en la electrodeposicioacuten de la aleacioacuten
Ni-Fe Ambos llegaron a la misma conclusioacuten un campo magneacutetico provoca una conveccioacuten en el
fluido el cual provoca una contribucioacuten adicional de masa-transporte
12 Generalidades
121 El campo magneacutetico
Se trata de un campo que ejerce fuerzas (denominadas magneacuteticas) sobre los materiales Es una
magnitud vectorial pero no produce ninguacuten efecto sobre cargas en reposo (como siacute lo hace el
campo eleacutectrico doacutende las acelera a traveacutes de la fuerza eleacutectrica) Sin embargo el campo magneacutetico
siacute tiene influencia sobre cargas eleacutectricas en movimiento [15]
Por ejemplo en el estado soacutelido si una carga en movimiento atraviesa un campo magneacutetico
la misma sufre la accioacuten de una fuerza magneacutetica que no modifica la velocidad pero siacute la
trayectoria Cabe mencionar que en el estado liacutequido o en el estado gaseoso el efecto del campo
magneacutetico no estaacute bien definido
Figura 14 El campo magneacutetico
8
La unidad de campo magneacutetico en el Sistema Internacional es el tesla (T) Un tesla se define
como el campo magneacutetico que ejerce una fuerza de 1 N (newton) sobre una carga de 1 C (coulomb)
que se mueve a velocidad de 1 ms dentro del campo
122 Definicioacuten de corrosioacuten
Se denomina corrosioacuten al ataque destructivo de un material generalmente metaacutelico por reaccioacuten
quiacutemica o electroquiacutemica con su medio ambiente (atmoacutesfera suelo agua etc)
La reaccioacuten baacutesica de corrosioacuten es
M Mn+ + ne-
De acuerdo con ello tambieacuten es posible definir la corrosioacuten desde un punto de vista maacutes
electroquiacutemico como el traacutensito de un metal de su forma elemental a su forma ioacutenica o combinada
con una respectiva cesioacuten de electrones [16] Dicho de otra manera el metal a traveacutes de la
corrosioacuten retorna a su forma combinada formando oacutexidos sulfuros hidroacutexidos etc Pues asiacute es
como los metales se encuentran habitualmente en la naturaleza por tratarse de formas
termodinaacutemicamente maacutes estables
El proceso de corrosioacuten es natural y espontaacuteneo y cuanto mayor es la energiacutea gastada en la
obtencioacuten del metal a partir del mineral tanto maacutes es la tendencia del metal a regresar a su forma
basal es decir mucho maacutes favorecida termodinaacutemicamente estaacute la reaccioacuten de oxidacioacuten
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten
Tradicionalmente se establecen dos procesos baacutesicos de ataques corrosivos atendiendo al medio
en el que se producen
Corrosioacuten seca
Corrosioacuten huacutemeda
1231 Corrosioacuten seca
Tiene lugar cuando el material se encuentra sometido a la accioacuten de gases principalmente a
temperaturas elevadas por lo que no se tiene un electrolito condensado Este tipo de corrosioacuten es
la que se produce en calderas sobrecalentadores reactores etc en la parte que estaacute en contacto
con los productos de combustioacuten
9
En la corrosioacuten seca los oacutexidos que se forman son de caraacutecter ioacutenico (cationes metaacutelicos y
aniones de oacutexido regularmente distribuidos) La estructura cristalina formada presenta
normalmente defectos reticulares (deficiencias ioacutenicas) a traveacutes de los cuales se produce la
difusioacuten de iones
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca
1232 Corrosioacuten huacutemeda
Tiene lugar cuando el material se encuentra en medios acuosos (Figura 16) Se produce
normalmente a temperatura ambiente o no muy elevada Es la maacutes extendida por cuanto afecta a
un sinfiacuten de elementos en los que el material es usado en tanques tuberiacuteas intercambiadores
precalentadores carcasas estructuras buques etc
Todos los procesos de corrosioacuten involucran transferencia de carga (iones y electrones) en
particular en el caso de corrosioacuten huacutemeda eacutesta se da a traveacutes de soluciones acuosas (electrolitos)
las cuales son eleacutectricamente conductoras En general el proceso requiere de tres etapas
1) Oxidacioacuten Los aacutetomos metaacutelicos aumentan su valencia al ceder electrones convirtieacutendose
en iones positivos los cuales pasan al electrolito
2) Transporte de carga Los electrones son transferidos al caacutetodo
3) Reduccioacuten Reaccioacuten donde se consumen los electrones generados en la oxidacioacuten
Este tipo de corrosioacuten es netamente electroquiacutemico ya que es un proceso en el que se llevan
a cabo reacciones de oxidacioacuten y de reduccioacuten de ahiacute que se conozca coacutemo proceso REDOX Cabe
mencionar que se puede favorecer una reaccioacuten u otra en caso de inclinarse por la oxidacioacuten
10
entonces se da la corrosioacuten y si es la reduccioacuten se puede proteger al metal por ejemplo con
electrodepoacutesitos
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda
124 Tipos de ataque por corrosioacuten
Es importante sentildealar que la corrosioacuten huacutemeda presenta dos tipos de ataque corrosioacuten uniforme y
corrosioacuten localizada
a) Corrosioacuten uniforme homogeacutenea o generalizada El ataque se extiende de forma
homogeacutenea sobre toda la superficie metaacutelica y por tanto la peacuterdida de material es
aproximadamente la misma en todos los puntos A este tipo de ataque se le identifica por
crecimiento 2D debido a que se desarrolla preferentemente a lo largo de la superficie Por
consiguiente es relativamente faacutecil estimar la vida uacutetil de los materiales metaacutelicos que lo
sufren
b) Corrosioacuten localizada El ataque no se distribuye de forma homogeacutenea localizaacutendose por
el contrario en determinadas zonas de la superficie metaacutelica A este tipo de ataque se le
conoce por crecimiento 3D debido a que se desarrolla de manera local dando preferencia a
la profundidad maacutes que a la superficie Dentro de este tipo de corrosioacuten existe a su vez
otra clasificacioacuten que se menciona a continuacioacuten
11
a Corrosioacuten por picadura
b Corrosioacuten por hendidura
c Corrosioacuten galvaacutenica
d Corrosioacuten intergranular
e Corrosioacuten bajo tensioacuten
f Corrosioacuten cavitacioacuten
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten
125 Celdas electroquiacutemicas
En corrosioacuten una celda es un dispositivo en el cual se producen reacciones quiacutemicas de oxidacioacuten
y reduccioacuten El aparato se integra de las siguientes partes sustancia que contiene iones (electrolito)
dos electrodos (caacutetodo y aacutenodo) y una conexioacuten eleacutectrica entre ambos electrodos
Existen dos tipos de celdas las electroliacuteticas que requieren un voltaje externo (fuente de
poder) y las electroquiacutemicas o galvaacutenicas que solamente necesitan un instrumento para registrar
voltaje Por lo cual se dice que las primeras son no espontaacuteneas y las segundas espontaacuteneas
Termodinaacutemicamente una reaccioacuten espontaacutenea presenta una energiacutea libre de Gibbs negativa y la
no espontaacutenea positiva tal como se aprecia en la Tabla 11
12
1251 Celda galvaacutenica
Una celda galvaacutenica (Figura 18) es aquella en la cual la energiacutea quiacutemica es convertida en energiacutea
eleacutectrica por medio de una reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea Esto se debe a que un metal es maacutes activo
y otro maacutes noble aacutenodo y caacutetodo respectivamente seguacuten la serie galvaacutenica por lo que al ser
conectados eleacutectricamente producen un flujo de electrones desde el caacutetodo al aacutenodo Dicho flujo
genera un potencial eleacutectrico que puede ser medido experimentalmente
Los requisitos para que se produzca un proceso de corrosioacuten en una pila galvaacutenica son los
siguientes
1 Dos superficies con distinto potencial electroacutedico
a Una de ellas que constituye al aacutenodo de la reaccioacuten al ceder electrones sufriraacute la
corrosioacuten Es decir aquiacute se lleva a cabo la reaccioacuten de oxidacioacuten Es el polo
negativo
Mdeg Mne- + ne-
b La otra que constituye el caacutetodo ganaraacute los electrones cedidos por el aacutenodo En
esta zona ocurriraacute la reaccioacuten de reduccioacuten Es el polo positivo
Mne- + ne- Mdeg
13
2 Un electrolito conductor ioacutenico que contiene los elementos caracteriacutesticos del medio
corrosivo Es justo aquiacute en el seno de la solucioacuten donde ocurre el transporte de materia
3 Una conexioacuten eleacutectricamente conductora entre el aacutenodo y el caacutetodo para que sea posible
el transporte de carga
Figura 18 Celda galvaacutenica
1252 Celda electroliacutetica
Las celdas electroliacuteticas no son espontaacuteneas por lo que debe aplicarse externamente un potencial
eleacutectrico para que funcionen Al proveer dicha energiacutea se fuerza a que una corriente eleacutectrica pase
por la celda con el fin de generar reacciones quiacutemicas de oacutexido-reduccioacuten en la superficie de los
electrodos de dicha celda Uno de los procesos maacutes conocidos es el electrodepoacutesito de metales
como cobre niacutequel o zinc Es importante puntualizar que aquiacute el aacutenodo estaraacute cargado
positivamente y el caacutetodo negativamente contrario a lo sucedido en las celdas galvaacutenicas
Las partes que conforman a la celda electroliacutetica son las siguientes
1 Electrolito Al igual que en las celdas galvaacutenicas se necesita de un conductor ioacutenico
2 Aacutenodo En este tipo de celdas el aacutenodo posee el polo positivo y aquiacute se lleva a cabo la
oxidacioacuten de la especie electroquiacutemica
3 Caacutetodo Eacuteste es el polo negativo y en eacutel se produce la reduccioacuten de la especie
electroquiacutemica
14
4 Fuente de energiacutea Es quien aplica la energiacutea necesaria para poder invertir el sentido
natural de la corriente dando lugar a una reaccioacuten quiacutemica opuesta a la que se produce
espontaacuteneamente en la pila
Figura 19 Celda electroliacutetica
13 Principios Electroquiacutemicos
131 Electrolitos
Todos los solutos que se disuelven en agua se agrupan en dos categoriacuteas electrolitos y no
electrolitos Un electrolito es una sustancia que cuando se disuelve en agua forma una disolucioacuten
capaz de conducir la electricidad Un no electrolito por lo tanto no conduce la corriente eleacutectrica
cuando se disuelve en agua
1311 Tipos de electrolitos
Los electrolitos se clasifican en fuertes y deacutebiles Los primeros son sustancias que estaacuten casi
completamente disociadas en la solucioacuten e incluyen soacutelidos ioacutenicos y aacutecidos fuertes Los uacuteltimos
poseen enlaces tan fuertes que muy difiacutecilmente se ionizan en solucioacuten permaneciendo la mayor
parte en forma de moleacuteculas las cuales no tienen la capacidad de transportar carga eleacutectrica como
lo hacen los iones Es importante mencionar que los electrolitos por buenos conductores de la
electricidad que puedan ser siempre tendraacuten menor capacidad para conducir la electricidad que los
materiales soacutelidos [17]
15
132 Ley de Ohm
Una de las maacutes importantes caracteriacutesticas eleacutectricas de un material soacutelido es la facilidad con que
transmite una corriente eleacutectrica La ley de Ohm relaciona la corriente (I) o sea el paso de carga
por unidad de tiempo con el voltaje aplicado (V) de la manera siguiente
V = IR
Donde R es la resistencia del material a traveacutes del cual pasa la corriente Las unidades de
V I y R son respectivamente voltios (V) amperios (A) y ohmios (Ω)
133 Leyes de Faraday
En electroquiacutemica es de suma importancia poder determinar la velocidad a la que ocurren las
reacciones de oacutexido-reduccioacuten cuando una corriente atraviesa una interfase soacutelido-electrolito pues
esto trae como consecuencia un transporte de materia resultado de la peacuterdida (oxidacioacuten) o
ganancia (reduccioacuten) de masa en el electrodo de trabajo
Cabe mencionar que las caracteriacutesticas superficiales del electrodo y las interacciones del
electrolito en dicha superficie son las que determinan la velocidad de reaccioacuten de un proceso
electroquiacutemico [18] Sin embargo hay tantos factores que pueden afectar directamente la velocidad
de reaccioacuten que por ello las leyes de Faraday solo son utilizables cuando el proceso controlador es
la transferencia de carga
Con las investigaciones del fiacutesico britaacutenico Michael Faraday (1791-1867) se descubrieron
las relaciones cuantitativas entre la cantidad de electricidad que pasa a traveacutes de una solucioacuten y la
cantidad de materia separada o precipitada en los electrodos Es decir con dichas expresiones es
posible calcular el transporte de materia en la interfase soacutelido-electrolito [16]
Primera Ley La masa de un ion liberado o depositado en un electrodo es proporcional a
la cantidad de electricidad que pase a traveacutes de la solucioacuten
Ec 11
16
m = 119868119905119875119860
119899119865
Donde PA es el peso atoacutemico la I la corriente en Amperes t el tiempo que pasa dicha carga
en segundos n el nuacutemero de equivalentes involucrados y F la constante de Faraday
Segunda Ley Las cantidades de sustancias liberadas o depositadas por una cantidad de
electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes Aplica cuando una misma
cantidad de electricidad atraviesa distintos electrolitos es decir cuando el proceso se lleva a cabo
en serie
1198981
1198901=
1198982
1198902
Donde m1 y m2 son las masas depositadas y e1 y e2 son los equivalentes quiacutemicos El
equivalente quiacutemico es la relacioacuten entre el peso atoacutemico y el nuacutemero de oxidacioacuten del compuesto
en cuestioacuten
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary
La ecuacioacuten de Stern-Geary establece la relacioacuten entre la densidad de corriente de corrosioacuten (icorr)
es decir la velocidad de corrosioacuten con la resistencia a la polarizacioacuten [19]
119894119888119900119903119903 = 119861
119877119875
119861 = 119887119886119887119888
2303 (119887119886 + 119887119888)
Donde ba y bc son las pendientes de Tafel anoacutedica y catoacutedica respectivamente
La constante B en la ecuacioacuten sirve para presentar una relacioacuten existente entre las
pendientes de Tafel Para que la ecuacioacuten de Stern-Geary sea aplicable es imperativo que exista
comportamiento tafeliano en el sistema electroquiacutemico
Ec 12
Ec 13
Ec 14
Ec 15
17
14 Control de la corrosioacuten
Baacutesicamente todos los meacutetodos que existen para lograr controlar la corrosioacuten de los materiales
metaacutelicos son intentos para interferir con el mecanismo de corrosioacuten de tal manera que se pueda
hacer que eacuteste sea lo maacutes ineficiente posible Dado que para que exista un proceso de corrosioacuten
debe formarse una pila o celda de corrosioacuten ademaacutes de una diferencia de potencial entre los
electrodos o zonas anoacutedicas y catoacutedicas la eliminacioacuten de alguno de los componentes esenciales
de la mencionada pila podriacutea llegar a detener el proceso [20]
En la praacutectica existen tres maneras de lograr lo anterior y enseguida se explicaraacute en queacute
consiste cada una Sin embargo es muy importante sentildealar que ninguacuten meacutetodo elimina la
corrosioacuten sino que todos disminuyen la velocidad de la reaccioacuten de oxidacioacuten ya que el metal
siempre buscaraacute la condicioacuten de miacutenima energiacutea que es la formacioacuten de oacutexidos e hidroacutexidos
141 Proteccioacuten catoacutedica
Se debe recordar que toda estructura propensa a corroerse presenta zonas catoacutedicas y anoacutedicas
siendo estas uacuteltimas aquellas aacutereas donde se lleva a cabo la corrosioacuten Pero si todas las aacutereas
anoacutedicas se pudieran convertir en catoacutedicas la estructura completa funcionariacutea como caacutetodo y la
corrosioacuten se disminuiriacutea considerablemente [21] Ese es el mecanismo de accioacuten de la proteccioacuten
catoacutedica y se puede llevar a cabo de dos maneras tal como lo muestra la Figura 110
Por corriente impresa La proteccioacuten se logra aplicando una corriente externa a partir de
un rectificador que suministra corriente continua de bajo voltaje El terminal positivo de la
fuente de corriente se conecta a un aacutenodo auxiliar (grafito por ejemplo) localizado a una
determinada distancia de la estructura a proteger y el terminal negativo se conecta a la
estructura metaacutelica
Por aacutenodos de sacrificio El metal a proteger se conecta a otro metal menos noble seguacuten
la serie galvaacutenica que actuaraacute como aacutenodo en la celda de corrosioacuten En ese caso la
estructura actuaraacute como caacutetodo y quedaraacute protegida por el ldquosacrificiordquo del aacutenodo que se
corroeraacute
18
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de sacrificio de
magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
142 Inhibidores de corrosioacuten
Los inhibidores son sustancias orgaacutenicas o inorgaacutenicas que se agregan a la solucioacuten corrosiva con
el fin de disminuir su poder de ataque y asiacute reducir la velocidad de corrosioacuten Se puede decir que
un inhibidor es un calmante de la corrosioacuten pues como ya se mencionoacute con anterioridad ninguacuten
meacutetodo la elimina en su totalidad
El comportamiento de los inhibidores puede ser muchas veces peligroso ya que en funcioacuten
de la concentracioacuten pueden jugar tanto el papel de inhibidores como de estimuladores de la
corrosioacuten [21]
Los hay de dos tipos aunque a veces se utiliza una combinacioacuten de ambos
1) Inhibidores anoacutedicos Actuacutean formando un compuesto insoluble el cual precipita en los
lugares afectados por la peacuterdida de materia evitando la reaccioacuten anoacutedica y por lo tanto
inhibe la corrosioacuten Ejemplos hidroacutexido soacutedico carbonato silicato y borato de sodio
ciertos fosfatos cromato soacutedico nitrito y benzoato de sodio etc
2) Inhibidores catoacutedicos Actuacutean sobre toda la superficie formando una capa o peliacutecula de
alta resistencia eleacutectrica la cual funciona como una barrera para la corriente de corrosioacuten
Ejemplos sulfato de zinc sulfato de magnesio bicarbonato de calcio etc
143 Recubrimientos protectores
Los recubrimientos representan la primera liacutenea en la lucha contra la corrosioacuten Los recubrimientos
sea cual fuere su tipo no mejoran las caracteriacutesticas mecaacutenicas del elemento sin embargo
preservan su resistencia e integridad Sus objetivos pueden ser variados siendo el principal aislar
la estructura del medio agresivo con el que se encuentra en contacto (agua suelo y atmoacutesfera por
lo general) aunque tambieacuten cumplen en ocasiones fines cosmeacuteticos
19
En general se emplean bajo condiciones muy amplias como puede ser exposicioacuten
atmosfeacuterica inmersioacuten en agua estructuras enterradas elementos sometidos a quiacutemicos etc Los
recubrimientos representan la uacuteltima etapa de los procesos de fabricacioacuten de cualquier pieza
sistema o equipo siendo normalmente aplicados antes del ensamble [21] Existe por lo tanto una
amplia gama de materiales que pueden ser utilizados como recubrimientos de los metales
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos
Orgaacutenicos Los recubrimientos orgaacutenicos son poliacutemeros y resinas producidas en forma
natural o sinteacutetica generalmente formulados para aplicarse como liacutequidos que se secan o
endurecen como peliacuteculas delgadas en materiales del sustrato Por ejemplo las pinturas
Inorgaacutenicos Los recubrimientos inorgaacutenicos proporcionan acabados tersos y maacutes
duraderos los maacutes usados son el vidrio y los ceraacutemicos
Metaacutelicos Los recubrimientos metaacutelicos se aplican mediante capas finas que funcionen
como aacutenodos sacrificables que puedan ser corroiacutedos en lugar del metal subyacente Por
ejemplo Niquelado cromado galvanizado electroliacutetico inmersioacuten en caliente etc
15 Galvanoplastia
La galvanoplastia es una teacutecnica que proporciona un recubrimiento metaacutelico a una estructura que
deseamos proteger El elemento adherido modifica las propiedades superficiales del material sobre
el cual se depositan promoviendo caracteriacutesticas que son imposibles de obtener en el metal base
Es un meacutetodo que se fundamenta en la electroacutelisis para asiacute cubrir un metal base con un fina
capa de otro metal ya sea cobre niacutequel cromo oro plata con el fin de embellecerlo o impartirle
resistencia a la corrosioacuten
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten
La electrodeposicioacuten puede ser de un solo metal de capas de diferentes metales o de una aleacioacuten
(por ejemplo latoacuten) Los metales maacutes utilizados para electrodepoacutesito son en orden de importancia
zinc niacutequel estantildeo y cadmio [22] Tambieacuten es usual recubrir con oro plata y platino En el caso
de aleaciones es comuacuten la aplicacioacuten de Babbitts (aleaciones Pb-Sn) Es conveniente mencionar
que la mayoriacutea de los metales se pueden depositar por eacuteste procedimiento
20
En teacuterminos simples este proceso consiste en la inmersioacuten de la parte a recubrir en un
electrolito que contenga iones del metal a depositar para asiacute proceder al paso de una corriente
directa que permita el depoacutesito en la pieza (caacutetodo) donde los iones son repuestos por la accioacuten de
la propia corriente sobre el aacutenodo
Pero iquestcoacutemo sucede realmente el fenoacutemeno de la electrodeposicioacuten A continuacioacuten se
daraacute una explicacioacuten maacutes detallada sin embargo solo las reacciones en el caacutetodo seraacuten presentadas
ya que en general las reacciones en un aacutenodo soluble seraacuten las inversas de aquellas presentes en
el caacutetodo
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre
Suponga una solucioacuten de una sal metaacutelica tal como el sulfato de cobre (Figura 111) la sal
se disocia considerablemente formando cationes cargados positivamente y aniones cargados
negativamente como ya se ha mencionado anteriormente El agua presente se disocia un poco para
formar iones hidroacutegeno e hidroxilo Todo aacutecido sulfuacuterico presente se disocia tambieacuten en iones
hidroacutegeno y en iones ya sea HSO4- o ya sea SO4
-2 La mayor parte de estos iones estaacuten hidratados
o sea que se encuentran combinados con una o maacutes moleacuteculas de agua
Cuando se aplica un potencial a dos electrodos en una solucioacuten asiacute los cationes cargados
positivamente emigran hacia el caacutetodo y los aniones negativos se mueven hacia el aacutenodo En una
solucioacuten acidificada la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es relativamente alta y la de los iones
hidroxilo es muy baja En virtud de que los iones hidroacutegeno se mueven maacutes raacutepidamente que los
iones cobre la mayor parte de la corriente es llevada hacia el caacutetodo por los iones hidroacutegeno Sin
embargo es maacutes faacutecil descargar los iones cobre asiacute que praacutecticamente toda la corriente que se usa
en el caacutetodo es para depositar cobre
21
Es difiacutecil representar el proceso implicado en el depoacutesito real de un metal sobre el sustrato
El caacutetodo se encuentra cargado negativamente o sea tiene una concentracioacuten de electrones
relativamente alta los cuales siempre aprovechan la oportunidad de combinarse con iones cargados
positivamente para asiacute formar los aacutetomos metaacutelicos
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel
El niacutequel (Ni) es un elemento quiacutemico de nuacutemero atoacutemico 28 situado en el grupo 10 de la tabla
perioacutedica de los elementos Es un metal blanco plateado duro maleable y duacutectil que puede
presentar un intenso brillo
Como elemento aleante proporciona resistencia tenacidad y proteccioacuten contra la corrosioacuten
El uso principal del niacutequel como metal es en la electrodeposicioacuten de piezas ya que funge como
protector corrosivo y de desgaste ante otros materiales que suelen ser maacutes susceptibles
ambientalmente tal como el hierro o el acero ademaacutes de embellecer la superficie El niacutequel es un
metal muy poco activo y bajo casi todas las condiciones tiende a resistir manchas y oxidacioacuten [23]
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel
Normalmente los galvanizados de niacutequel se hacen a partir de soluciones aacutecidas variando en un
rango de pH de 15 a 60 Una excepcioacuten es el uso de un bantildeo alcalino amoniacal de niacutequel con un
pH cerca de 9 [22]
A pesar de las muchas foacutermulas de bantildeos de niacutequel casi todas ellas contienen tres componentes
esenciales
Sulfato de niacutequel Constituye la principal fuente de iones niacutequel ademaacutes de controlar los
liacutemites admisibles de densidad de corriente
Cloruro de niacutequel Suministra los iones cloruros necesarios para asegurar la corrosioacuten de
los aacutenodos de niacutequel Tambieacuten es una fuente secundaria de iones niacutequel
Aacutecido boacuterico Actuacutea como agente tampoacuten y para conservar la adhesioacuten del depoacutesito de
niacutequel
A continuacioacuten se enlistan las teacutecnicas principales que se utilizan en los depoacutesitos de niacutequel
[22] Cabe mencionar que las concentraciones exactas y las condiciones de operacioacuten pueden
modificarse pero los valores que se dan pueden servir de guiacutea
22
1 Niacutequel a bantildeo friacuteo diluido
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 09 120 16
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Fluoruro de amonio NH4F 057 65 87
2 Bantildeo caliente Tipo Watts
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 04 45 6
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
pH para operacioacuten a un alto pH 45-55 a un bajo pH 15-30
Temperatura 43deg C (110 degF)
Densidad de corriente 2-7 ampdm2 (20-65 ampft2)
3 Bantildeo de alto sulfato
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 05 70 9
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Sulfato de sodio Na2SO4 10 160 22
Aacutecido boacuterico H3BO3 025 M 15 2
pH 55
Temperatura 20-30 degC (68-86 degF)
Densidad de corriente 15-30 ampdm2 (14-28 ampft2)
4 Bantildeo brillante de niacutequel-cobalto
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
23
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 038 45 6
Sulfato de cobalto CoSO4 7H2O 011 15 2
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
Sulfato de amonio (NH4)2SO4 004 25 03
Formato de niacutequel Ni(COOH)2 067 50 67
Formaldehiacutedo HCHO (40) 25 03
pH 45
Temperatura 55 degC (131 degF)
Densidad de corriente 3 ampdm2 (28 ampft2)
1522 Condiciones de operacioacuten
El caraacutecter del depoacutesito depende de varios factores incluyendo la temperatura la densidad de
corriente el pH la distancia entre los electrodos y la agitacioacuten los cuales se ajustan para producir
recubrimientos gruesos o delgados mates o brillantes suaves o duros duacutectiles o fraacutegiles [22] Cabe
mencionar que los valores oacuteptimos para cada factor variacutean de acuerdo con el tipo del bantildeo por lo
que no es posible dar cifras determinadas En su lugar se indicaraacuten los efectos sobre el caraacutecter de
los depoacutesitos obtenidos
pH La eleccioacuten de pH es regida por el tipo de bantildeo y las propiedades que se desean en el
depoacutesito En general en bantildeos de niacutequel opaco un aumento en el pH especialmente arriba de 50
produce depoacutesitos maacutes duros probablemente como resultado de mayor precipitacioacuten
Reciacuteprocamente los depoacutesitos de bajo pH seraacuten probablemente suaves
Temperatura La ventaja de aplicar altas temperaturas depende de varios factores
incluyendo (1) maacutes elevada solubilidad del niacutequel u otras sales (2) mayor conductividad (3)
reducida polarizacioacuten en ambos electrodos y (4) aumento de eficiencia en el aacutenodo y caacutetodo
Aunque de igual manera se pueden presentar ciertas desventajas (1) aumento de la tendencia a la
precipitacioacuten de impurezas (2) la propensioacuten a coagular agentes abrillantadores (3) vaporizacioacuten
excesiva (4) produccioacuten de depoacutesitos pasivos y (5) menor potencia de depoacutesito
Densidad de corriente La densidad de corriente es dependiente de los dos factores
anteriores A temperatura ambiente especialmente en bantildeos diluidos se emplean densidades de
24
corriente de 5 a 20 Aft2 (05 a 2 Adm2) En bantildeos maacutes fuertes y calientes se pueden usar
densidades de corriente hasta de 60 Aft2 (6 Adm2)
Agitacioacuten El efecto de la agitacioacuten equivale a un aumento en concentracioacuten de niacutequel y a
una disminucioacuten de pH lo que permite densidades de corriente maacutes altas Una desventaja de la
agitacioacuten raacutepida en los bantildeos de niacutequel es que con el movimiento suben a la superficie las partiacuteculas
suspendidas lo que trae consigo un depoacutesito aacutespero
Distancia entre electrodos La elaboracioacuten de recubrimientos con espesor uniforme
depende tambieacuten de la propia disposicioacuten y espacio adecuado de las piezas de trabajo aacutenodo y
caacutetodo Por lo que entre maacutes cercana esteacute la superficie a recubrir del aacutenodo mayor seraacute el espesor
del depoacutesito obtenido
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel
Las propiedades fiacutesicas del niacutequel electrodepositado son de especial intereacutes porque hay una gran
variedad de propiedades el control de las cuales de las cuales crea aplicaciones especiales del
niacutequel por ejemplo en electroformacioacuten Las siguientes propiedades son para depoacutesitos opacos de
niacutequel [22]
Dureza Esta variacutea en los diferentes depoacutesitos de niacutequel cerca de 130 a 430 HB En el bantildeo
tipo Watts se obtuvo un miacutenimo de dureza a un pH de 3 obtenieacutendose depoacutesitos maacutes duros abajo
y arriba de este liacutemite Los depoacutesitos maacutes duros se obtienen con un alto pH
Resistencia a la tensioacuten En general la resistencia a la tensioacuten es casi paralela a la dureza
y va de 56 000 a 160 000 lbplg2 (3 900 a 11 000 kgcm2)
Ductilidad La ductilidad medida por elongacioacuten es casi inversamente proporcional a la
dureza y a la resistencia a la tensioacuten
Resistividad eleacutectrica La resistividad eleacutectrica del niacutequel depositado es influenciada por el
contenido de inclusiones como el oacutexido y el cobalto Se presenta un poco en un pH 3
Composicioacuten Los depoacutesitos de niacutequel contienen oxiacutegeno e hidroacutegeno probablemente
presentes como compuestos baacutesicos del niacutequel como Ni(OH)2 El cloruro puede estar presente en
los depoacutesitos de todos los bantildeos de cloruro Estas inclusiones indudablemente tienen influencia en
la dureza y resistencia a la tensioacuten
25
1524 Niquelado en diferentes metales base
Debido a que el niacutequel es el maacutes extensamente aplicado a numerosos metales base solo algunos
ciclos empleados seraacuten considerados en esta seccioacuten [22]
Niquelado en acero El niacutequel puede ser depositado directamente sobre acero o sobre una
capa delgada o gruesa de cobre Debido a numerosas pruebas de corrosioacuten y a lo demostrado por
la experiencia se sabe que las capas de cobre ejercen menos proteccioacuten que una densidad igual de
niacutequel por lo tanto la tendencia actual es eliminar el cobre
Niquelado en hierro vaciado La dificultad de galvanizar sobre hierro vaciado estaacute
indudablemente asociada con la presencia de carbono liberado o grafito en el hierro Si eacuteste
permanece parcialmente embebido el niacutequel no se deposita tan faacutecilmente sobre el carboacuten o
carburos como en los cristales de hierro Por ello se utiliza una capa de cobre ya que mejora la
adhesioacuten del niacutequel al hierro vaciado La limpieza catoacutedica en caacuteustico fundido es algunas veces
efectiva y la saturacioacuten en aacutecido fluorhiacutedrico puede ayudar Por buena que sea la adhesioacuten del
niacutequel al hierro vaciado no es tan buena como en el acero
Niquelado en cobre y latoacuten La praacutectica maacutes comuacuten es aplicar el niacutequel directamente al
cobre o latoacuten seguido por la acostumbrada capa de cromo Ha sido demostrado concluyentemente
que las capas de cromo aplicadas directamente al latoacuten dan menos proteccioacuten contra la corrosioacuten
que cuando se aplica primero una capa de niacutequel
Niquelado en zinc y vaciados con base de zinc Se ha confirmado por muchas pruebas que
las capas adherentes de niacutequel pueden ser aplicadas directamente a troquelados de zinc usando un
alto-sulfato en bantildeo de niacutequel El principio de este bantildeo es la adicioacuten de suficiente sulfato de sodio
para reducir la actividad del ion niacutequel y aumentar la polarizacioacuten del caacutetodo De este modo se
evita que el zinc pase a la solucioacuten precipitando niacutequel oscuro Este bantildeo de alto sulfato de niacutequel
tiene una excelente conductividad y potencia de depoacutesito
Niquelado en magnesio El galvanizado de niacutequel u otros metales en magnesio o sus
aleaciones se hace difiacutecilmente por la alta actividad del magnesio y su consecuente tendencia a
depositar niacutequel u otros metales pesados por inmersioacuten Debido a la gran diferencia de potenciales
de solucioacuten del magnesio y de metales como el cobre niacutequel o cromo eacutestos pueden galvanizarse
sobre el magnesio cuya corrosioacuten se acelera raacutepidamente si hay algunos poros o discontinuidad en
26
los recubrimientos Mientas no se pueda demostrar que pueden producirse y mantenerse
recubrimientos electroliacuteticos casi impenetrables en el magnesio y sus aleaciones es de dudarse que
estos galvanizados puedan tener una aplicacioacuten industrial
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de materiales consiste en la obtencioacuten de informacioacuten acerca de un material
bajo estudio (composicioacuten estructura morfologiacutea y otras propiedades) a partir de la interaccioacuten de
una sentildeal (eleacutectrica luminosa teacutermica etc) con una porcioacuten de dicho material Por tanto toda
caracterizacioacuten de un material supone una agresioacuten es decir una perturbacioacuten del mismo El
estudio de la respuesta del material a dicha perturbacioacuten tiene la finalidad de dar a conocer las
propiedades del mismo para asiacute predecir si seraacute uacutetil o no en una determinada aplicacioacuten
Se puede asegurar que la ayuda de las nuevas teacutecnicas de caracterizacioacuten y anaacutelisis ha sido
indispensable en el disentildeo siacutentesis y procesado de estos materiales permitiendo un cuidadoso
control de sus propiedades e incluso en muchos casos con la posibilidad de fijar de antemano
alguna de sus caracteriacutesticas
161 Dureza
La dureza es una propiedad de los materiales soacutelidos y se define como la resistencia que oponen
estos materiales a ser deformados Una buena dureza significa generalmente que el material es
resistente al rayado y al desgaste [23]
1611 Ensayo de dureza Vickers
Este ensayo usa un indentador en forma de piraacutemide hecho de diamante Figura 112 (a) El ensayo
se basa en el principio de que las impresiones hechas por este indentador tienen geometriacuteas
similares independientemente de la carga aplicada En consecuencia se aplican varias cargas
dependiendo de la dureza del material a ensayar [24] la dureza Vickers se determina entonces con
la foacutermula
HV = 1854 119865
1198632
Donde F es la fuerza aplicada en kgf y D es la diagonal de la impresioacuten hecha por el
indentador en mm El ensayo Vickers puede usarse para todos los metales porque cuenta con una
de las escalas maacutes amplias entre los ensayos de dureza
Ec 16
27
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante un ensayo de dureza
162 Rugosidad
El acabado superficial de los cuerpos puede presentar errores de forma macro y micro geomeacutetricos
auacuten las superficies consideradas como ldquomuy lisasrdquo muestran cuando son analizadas a escala
sumamente fina una compleja diversidad de particularidades geomeacutetricas [25] Por lo tanto la
rugosidad es el conjunto de irregularidades en una superficie real
1621 El perfiloacutemetro
El rugosiacutemetro o perfiloacutemetro es por mucho el equipo maacutes utilizado en la industria para medir la
rugosidad de componentes comunes El principio de operacioacuten de este equipo es simple una fina
punta en contacto con la superficie a analizar realiza un barrido controlado en liacutenea recta y las
variaciones de alturas se convierten en sentildeales eleacutectricas que son debidamente registradas
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro
28
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB)
En el microscopio electroacutenico de barrido se construyen imaacutegenes aprovechando la emisioacuten de
electrones (electrones secundarios) de una muestra cuando sobre ella incide un haz enfocado de
electrones de alta energiacutea La muestra tambieacuten emite rayos X los cuales pueden ser analizados para
obtener informacioacuten sobre la composicioacuten del material [26] Cada sentildeal del MEB es captada con
un detector apropiado
Los electrones emitidos por la interaccioacuten del haz incidente y la muestra son colectados por
los correspondientes detectores para producir una sentildeal eleacutectrica la cual se utiliza para modular la
intensidad de un haz de electrones que incide en la pantalla de un tubo de rayos catoacutedicos (TRC)
de manera que mediante un barrido sincronizado del haz incidente en la superficie de una muestra
y del haz incidente en la pantalla del TRC se produce la imagen de la muestra [26]
La emisioacuten de electrones y de rayos X de la muestra se origina por las colisiones de
electrones del haz incidente con electrones de los aacutetomos del material de la probeta tal como se
puede observar en la Figura 114
Algunas colisiones son elaacutesticas de modo que algunos electrones del haz primario pueden
salir de la superficie de la muestra sin una significativa peacuterdida de energiacutea estos son los llamados
electrones reflejados Pero la mayoriacutea de las colisiones son inelaacutesticas y entre otros efectos
originan emisioacuten de electrones de baja energiacutea conocidos como electrones secundarios
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y fotones por la
interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
29
1631 Componentes baacutesicos del MEB
Cantildeoacuten de electrones que produce un haz con energiacutea entre 5 keV y 30 keV con un diaacutemetro
efectivo entre 01 microm y 10 microm
Lentes electromagneacuteticas condensadoras que reducen el diaacutemetro del haz de manera que en
la superficie de la muestra se tiene un diaacutemetro apropiado al aumento de la imagen
Apertura final la cual controla la divergencia del haz incidente en la muestra
Una lente objetivo que enfoca el haz en la superficie de la muestra
Sistema de barrido el cual permite la construccioacuten de la imagen en la pantalla del TRC por
el barrido del haz en la superficie de la muestra
Detectores de sentildeales emitidas por la muestra (Electrones secundarios electrones
reflejados rayos X etc)
Tubo de rayos catoacutedicos para presentacioacuten de la imagen
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica es una teacutecnica relativamente nueva que permite obtener
imaacutegenes de superficies a escala molecular [27] El microscopio consta esencialmente de una punta
de Si3N4 montada sobre un fleje Con esta punta se realiza un barrido sobre la superficie de la
muestra la cual se situacutea sobre un escaacutener piezoeleacutectrico El funcionamiento del microscopio se
basa en el control por un ordenador de la fuerza ejercida por la punta durante el barrido (Ver Figura
30
116) En el modo denominado de contacto la fuerza punta-muestra se mantiene constante
mediante un sistema de retroalimentacioacuten basado en los siguientes puntos
1) La variacioacuten de la fuerza punta-muestra se traduce en movimientos verticales y horizontales
del fleje que hacen variar la direccioacuten de un rayo laacuteser incidente sobre eacutel Estos cambios en
la direccioacuten del laacuteser son recogidos por un fotodetector y analizados por un ordenador
2) Los aumentos o disminuciones de fuerza son compensados por el ordenador que enviacutea una
sentildeal al piezoeleacutectrico para que acerque o aleje la muestra a la punta
3) Tanto las variaciones del haz luminoso como los movimientos controlados del
piezoeleacutectrico son convertidos por el ordenador en un mapa topograacutefico de la superficie
Figura 116 Funcionamiento de un MFA
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX)
El meacutetodo de difraccioacuten por rayos X es una herramienta poderosa para investigar la disposicioacuten
ordenada de los aacutetomos o moleacuteculas por medio de la interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica
para producir efectos de interferencia con estructuras comparables en tamantildeo a la longitud de onda
de la radiacioacuten
31
Al igual que con los tipos de radiacioacuten electromagneacutetica la interaccioacuten entre el vector
eleacutectrico de la radiacioacuten X y los electrones de la materia que atraviesa da lugar a una dispersioacuten
Cuando los rayos X son dispersados por el entorno ordenado de un cristal tienen lugar
interferencias (constructivas y destructivas) entre los rayos dispersados ya que las distancias entre
los centros de dispersioacuten son del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la radiacioacuten
La teacutecnica de difraccioacuten de rayos X aplicada al estudio de materiales permite obtener
informacioacuten importante sobre distintos aspectos de los mismos Para recubrimientos [28] eacutesta
teacutecnica es imprescindible para determinar
Tipo de estructura (FCC HCP etc)
Esfuerzos residuales
Microdeformaciones
Tamantildeo de grano
Fases presentes
Proporcioacuten relativa de las fases
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X
El fenoacutemeno de difraccioacuten es la interferencia entre las ondas que se genera cuando hay un objeto
en su trayecto Para comprender mejor esto supoacutengase dos planos reticulares 1 y 2 tal como en la
Figura 117 de un cristal con una distancia d entre ambos converge un haz de rayos X procedente
de A con un aacutengulo de incidencia θ este haz en parte se refleja sobre el primer plano hacia F y
en parte atraviesa y se refleja sobre el plano 2 hacia F3 y asiacute sucesivamente sobre los otros planos
[29]
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X
32
En el punto D se sobrepone un rayo reflejado por el primer plano reticular y el otro del
segundo cuya diferencia de camino despueacutes de la reflexioacuten es CD-ED Si tal diferencia es un
muacuteltiplo entero n de la longitud de onda λ de la radiacioacuten X los dos rayos en D estaraacuten en
concordancia de fase y sobreponieacutendose aumentaraacute su intensidad
Por el contrario si estaacuten en discordancia tenderaacuten a anularse Para que se verifique esta
condicioacuten es necesario que las magnitudes λ d θ y n satisfagan la relacioacuten de la Ley de Bragg
nλ = 2 d sen θ
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP)
La teacutecnica electroquiacutemica llamada Resistencia a la Polarizacioacuten es el resultado de la aproximacioacuten
de bajo campo a la ecuacioacuten de Butler-Volmer y por este motivo se debe aplicar solamente cuando
exista control activacional o por transferencia de carga
Los materiales que son susceptibles de ser evaluados mediante la aplicacioacuten de la RP deben
estar inmersos en electrolitos conductores es decir que la resistividad de las soluciones no sea alta
y deben encontrarse libres de peliacuteculas resistivas
1661 Procedimiento experimental
Para realizar un estudio experimental de Resistencia a la Polarizacioacuten lo mejor es acudir a la norma
ASTM G 59-91 [32] En general los pasos a seguir de acuerdo a la norma son los siguientes
Usar un puente salino que acerque el electrodo de referencia a 2 o 3 mm de la superficie
del electrodo de trabajo
Registrar el potencial de corrosioacuten despueacutes de 5 minutos
Aplicar un potencial 30 mV maacutes negativo que el potencial registrado
Un minuto despueacutes de que se aplique el potencial se inicia un barrido con direccioacuten anoacutedica
a 06 Vh (10 mVmin) registrando el potencial y la corriente continuamente
Terminar el barrido cuando se alcanza un valor de 30 mV positivo que el potencial de
corrosioacuten
Graficar la curva de polarizacioacuten
Determinar graacuteficamente la resistencia a la polarizacioacuten como la tangente a la curva en el
origen de la graacutefica
Ec 17
33
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE)
La teacutecnica de Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica es un meacutetodo electroquiacutemico
utilizado en estudios de corrosioacuten el cual se basa en el uso de una sentildeal de corriente alterna (CA)
que es aplicada a un electrodo (metal en corrosioacuten) y determinando la respuesta correspondiente
En el procedimiento experimental comuacutenmente utilizado se aplica una sentildeal sinusoidal de
voltaje y se mide su respuesta en corriente a diferentes frecuencias aunque es posible aplicar una
pequentildea cantidad de corriente y medir la respuesta del potencial El voltaje la corriente y la
frecuencia son relacionadas por la impedancia en una forma anaacuteloga a la ley de Ohm
V = IZ
Donde Z es la impedancia del circuito A diferencia de la resistencia la impedancia de un
circuito puede depender de la frecuencia aplicada
Cuando se aplica una sentildeal de CA incluso en un sistema de corrosioacuten sencillo se comporta
de manera maacutes complicada que una sola resistencia Pues existe tambieacuten una capacitancia la de la
doble capa electroquiacutemica (Cdl) que es debida a la carga de las especies existentes en la interfase
metal-electrolito y que se encuentra presente en todos los sistemas corrosivos Ademaacutes estaacute la
resistencia de la solucioacuten (Rs) para que se le permita La combinacioacuten de estos tres componentes
proporciona un circuito equivalente simple para un metal que se corroe Dicho circuito es una
combinacioacuten de elementos eleacutectricos tales como resistores y capacitores lo que da la misma
respuesta a sentildeales eleacutectricas como el metal real que se corroe [30] El circuito simple descrito
anteriormente se muestra en la Figura 118
Figura 118 Circuito equivalente simple
Los espectros de impedancia se pueden utilizar para identificar y cuantificar las
capacitancias en el sistema y para separar diferentes resistencias por ejemplo la resistencia de la
solucioacuten y la resistencia a la polarizacioacuten A altas frecuencias la resistencia de la solucioacuten se puede
cuantificar A frecuencias maacutes bajas los diferentes tipos de procesos se producen en diferentes
Ec 18
34
escalas de tiempo (en diferentes frecuencias) y puede ser posible identificar los procesos de
difusioacuten o los fenoacutemenos de adsorcioacuten y desorcioacuten [3031]
1671 Representaciones graacuteficas
Solamente existen dos maneras de representar los valores experimentales de la espectroscopia de
impedancia electroquiacutemica
1 Diagramas de Nyquist Tipo de representacioacuten maacutes comuacuten que consiste en graficar los
valores de la impedancia real frente a los de la impedancia imaginaria Estos diagramas
permiten identificar la resistencia del electrolito la resistencia a la transferencia de carga y
la resistencia a la polarizacioacuten [3031] en la mayor parte de los casos La Figura 119
muestra un ejemplo de este tipo de diagramas
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist
2 Diagramas de Bode En este tipo de representaciones se pueden obtener dos diagramas el
moacutedulo de la impedancia y el aacutengulo de fase (Figura 120) Tambieacuten en funcioacuten de la parte
real o la imaginaria pero en escala logariacutetmica Ambos graacuteficos son particularmente uacutetiles
cuando existen constantes de tiempo con valores muy proacuteximos que no se pueden distinguir
en los diagramas de Nyquist
35
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b) Moacutedulo de
impedancia
1672 Ecuacioacuten de Brug
Como bien se sabe el objetivo de los experimentos de EIS es a menudo extraer la capacitancia de
las peliacuteculas (posiblemente como una funcioacuten del potencial aplicado) y por lo tanto para obtener
informacioacuten sobre las propiedades dieleacutectricassemi-conductoras de dichas peliacuteculas Sin embargo
en diversos sistemas la estimacioacuten de la capacitancia es difiacutecil debido a que un comportamiento
de elemento de fase constante (CPE) se observa en lugar de un comportamiento capacitivo
Brug [33] propuso una foacutermula (Ec 19) que relaciona la resistencia del electrolito (Re) y
la resistencia a la transferencia de carga (Rtc) donde es posible calcular la capacitancia contenida
en el CPE
119862 = 1198761
120572[119877119890minus1 + 119877119905119888minus1]1minus120572
120572
Donde C es la capacitancia Q es el factor de Brug Re es la resistencia del electrolito Rtc
es la resistencia a la transferencia de carga y α es la pendiente de la impedancia calculada a bajas
frecuencias
Ec 19
36
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental
21 Preparacioacuten superficial de muestras
A partir de una laacutemina de acero 1018 de 150 x 1 m se cortaron 48 placas de 10 x 2 cm cada una
con una cizalla ya que se necesitaba que cada muestra fuera perfectamente paralela para el proceso
de electrodeposicioacuten
Las placas de acero presentaban una capa de oacutexido por lo que se siguioacute la norma ASTM
G1 [34] para decapar cada muestra durante 10 minutos en HCl al 50 (Ver figura 21) para
posteriormente lavarse con agua potable y asiacute pasar al lijado con granulometriacutea 180 240 320 400
y 600 Seguido de un lavado con agua destilada para eliminar residuos de material removido y
finalizando con un bantildeo de acetona para retirar cualquier resto de humedad y grasa
Figura 21 Decapado de muestras
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos
Para los electrodepoacutesitos con influencia de un campo magneacutetico se utilizaron dos imanes de
neodimio sin embargo no teniacutean sentildealizacioacuten alguna para diferenciar sus polos ni se conociacutea el
valor del campo Entonces se utilizoacute una bruacutejula para determinar el norte y sur de cada imaacuten asiacute
como se aprecia en la Figura 22
37
Figura 22 Determinacioacuten de los polos
Y el campo magneacutetico se midioacute con un gausiacutemetro Marca RFL modelo 91 (Figura 23)
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico
23 Preparacioacuten del electrolito
Para el proceso de electrodeposicioacuten se empleoacute un bantildeo Watts estaacutendar [35] cuya composicioacuten se
presenta en la Tabla 21
38
Para la deposicioacuten electroliacutetica sin campo se preparoacute un litro de solucioacuten y para la que teniacutea
influencia de campo magneacutetico se hicieron dos litros
24 Obtencioacuten de recubrimientos
Para las electrodeposiciones se utilizoacute una fuente de poder marca Good Will Instrumets modelo
GPR-3510HD En cuya terminal negativa se conectoacute el caacutetodo (acero 1018) y en la positiva el
aacutenodo (niacutequel soacutelido Figura 24) Ambos electrodos se colocaron paralelamente cara con cara
Figura 24 Rondelas de niacutequel
Los electrodepoacutesitos de niacutequel sobre acero 1018 con y sin influencia de campo magneacutetico
se llevaron a cabo a voltaje constante siendo eacuteste de 4 V midiendo la corriente resultante al
finalizar el proceso las muestras se lavaron con agua destilada y se dejaron secar al ambiente Se
realizaron seis condiciones diferentes tal como lo muestra la Tabla 22
En el caso de los electrodepoacutesitos en presencia de campo magneacutetico se utilizaron dos
imanes de Neodimio (Valor fluctuante de 15 a 34 T) los cuales se instalaron en la cuba
electroliacutetica el polo norte cerca del aacutenodo y el polo sur del caacutetodo tal como lo muestra la Figura
25
39
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con imanes de
neodimio
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos
Las muestras electrodepositadas con y sin presencia de campo magneacutetico se fijaron a una celda
de acriacutelico con un aacuterea de exposicioacuten de 133 cm2 en dicha celda se vertioacute una solucioacuten de NaCl
al 3 en peso se colocoacute una tapa y se introdujeron un electrodo de referencia de AgAgCl y un
contra-electrodo de grafito Dicha celda se conectoacute a un potenciostato marca Bio-logic modelo
SP-150 controlado mediante una computadora de escritorio con su respectivo software El
dispositivo utilizado para las pruebas se puede ver en la Figura 26a
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el electrodo de
referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo (ET)
40
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
Se utilizoacute la teacutecnica de RP en modo potenciodinaacutemico en un intervalo de plusmn 20 mVEcorr a una
velocidad de barrido de 01667 mVs haciendo la respectiva curva de polarizacioacuten mediante la
computadora Previo a esto el electrodo de trabajo se dejoacute estabilizar en el electrolito (NaCl al 3
peso) durante 30 minutos
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica
Al teacutermino de la medicioacuten de la RP el electrodo de trabajo se dejoacute a circuito abierto durante 15
minutos Posteriormente se utilizoacute la teacutecnica EIE en un intervalo de frecuencias de 50 kHz a 50
mHz a 7 puntos por deacutecada y 10 mV de perturbacioacuten
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos
Para la caracterizacioacuten superficial las placas se cortaron en una maacutequina dobladora a una medida
de 2 x 2 cm para asiacute poder ingresar a ciertos equipos Se eligioacute una muestra de cada condicioacuten
tanto con y sin influencia de campo magneacutetico
261 Dureza
Los estudios de dureza fueron obtenidos con un microduroacutemetro de Vickers marca
Mitutoyo Colocando las placas en el portamuestras del microscopio se hizo incidir el indentador
de diamante aplicando una carga de 10 kgf durante 20 s para un acero suave [36] Este
procedimiento se realizoacute 5 veces por muestra para obtener un promedio de dureza
262 Rugosidad
Se utilizoacute un rugosiacutemetro marca Mitutoyo modelo Surftest-402 Las muestras se colocaron
en una superficie plana y sobre ella se situoacute el palpador con punta coacutenica tal como lo muestra la
Figura 27 posteriormente se calibroacute dicha punta y entonces el equipo realizoacute un pequentildeo recorrido
sobre la superficie con el que determinoacute la rugosidad de cada muestra en microm
41
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido
Para esta caracterizacioacuten de las placas se utilizoacute el Microscopio Electroacutenico de Barrido de
alto-bajo vaciacuteo Jeol JSM 6610LV con un voltaje de 20 kV y una distancia de trabajo de 10 mm
Las placas se colocaron en un portamuestras (Figura 28) y se analizaron a alto vaciacuteo Las imaacutegenes
se formaron con una sentildeal de electrones secundarios a 500 1000 y 5000X
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
Se utilizoacute un Microscopio de Fuerza Atoacutemica marca Asylum Research modelo Cypher que cuenta
con una punta de silicio que tiene una constante de 2 Nm (conforme se va desgastando va
disminuyendo su valor)
Para las muestras sin influencia de campo magneacutetico se utilizoacute el modo contacto es decir
la fuerza entre la punta y la muestra son constantes En el caso de las muestras con influencia de
campo magneacutetico que mostraron una superficie menos rugosa y maacutes faacutecil de medir
topograacuteficamente se usoacute el modo no contacto por lo que la punta no tocaba la muestra sino que
42
oscilaba a una distancia de entre 1 y 10 nm Todas las imaacutegenes se obtuvieron en un aacuterea de 10 x
10 microm a una velocidad de barrido de 10 Hz escaneando 512 liacuteneas generadas por 512 puntos en
zonas especiacuteficas
265 Difraccioacuten de rayos X
Para esta caracterizacioacuten se utilizoacute un difractoacutemetro de rayos X marca Siemens modelo D5000
Las condiciones de operacioacuten fueron las siguientes velocidad de barrido de 05 s incrementos de
0035cps 35 kV y 25 mA El intervalo de aacutengulo seleccionado fue 2θ = 30 a 120deg que es el
rango donde aparecen la mayoriacutea de los picos caracteriacutesticos del niacutequel [37]
43
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten
Para una mejor comprensioacuten de los resultados eacutestos se presentan de manera comparativa en
funcioacuten del tiempo de electrodeposicioacuten con y sin campo magneacutetico analizando dichos
recubrimientos con las teacutecnicas electroquiacutemicas planteadas en el capiacutetulo de metodologiacutea
experimental tambieacuten se realizaron anaacutelisis del comportamiento de las propiedades fiacutesicas tales
como dureza rugosidad y espesor para determinar la influencia del campo magneacutetico durante la
electrodeposicioacuten de niacutequel
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos
La Figura 31b muestra las reacciones que se llevaron a cabo en el proceso de electrodeposicioacuten
Como ya se sabe en el aacutenodo se lleva a cabo la oxidacioacuten del niacutequel y en el caacutetodo la reduccioacuten
del mismo Sin embargo en el caacutetodo tambieacuten se lleva a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten del
hidroacutegeno ya que el medio usado para la electrodeposicioacuten es aacutecido (pH = 3) por ello la eficiencia
en el caacutetodo no es del 100
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni
311 Caacutelculo de masa depositada
Para conocer la masa de Ni depositada en el acero 1018 se realizaron mediciones de peso antes y
despueacutes de que las placas fueran sometidas al proceso de electrodeposicioacuten Sin embargo como el
aacuterea de electrodepoacutesito no es la misma en todas las placas se compara la masa depositada por
centiacutemetro cuadrado tal como lo muestra la Tabla 31
44
En la tabla 31 se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten de
niacutequel la masa por unidad de aacuterea aumenta Esto se cumple para ambas temperaturas (30degC y 60degC)
y ambas condiciones (sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico) sin embargo se demostraraacute
maacutes adelante que el aumento de masa no es garantiacutea de una reduccioacuten de la velocidad de corrosioacuten
(Grafico 31) Es importante sentildealar que tanto a 30degC como a 60degC la masa de niacutequel disminuye
cuando se utiliza el campo mageacutentico sin embargo a 30degC esto no se cumple debido a que hay un
aumento de masa
312 Eficiencia en corriente
Es importante mencionar que en todos los electrodepoacutesitos la corriente final era menor que la
inicial Dicha caiacuteda de corriente se debioacute a la formacioacuten de una capa de oacutexido en el aacutenodo Figura
32 lo que ocasionoacute una disminucioacuten en la entrega de cationes (Ni2+) a la solucioacuten
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido
La eficiencia en corriente se evaluoacute con la foacutermula del Anexo 1-A y se tomoacute el valor de la
corriente inicial para dicho caacutelculo Los resultados se muestran en la Tabla 32 Mientras que
Ferreira y Colnago [12] reportaron obtener eficiencias del doble para sus peliacuteculas de cobre en
45
este caso se puede notar que la presencia del campo magneacutetico provoca una disminucioacuten en el
rendimiento del sistema
La fuente de poder se debe regular para poder otorgar los 4 V que el proceso de
electrodeposicioacuten requiere y desde el momento en que se enciende el aparato empieza a mandar
corriente Por ello ciertas eficiencias sobrepasan el 100 pues el tiempo de ajuste se excedioacute maacutes
de 50 segundos
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
En la Figura 33 se observan los resultados de la resistencia a la polarizacioacuten en funcioacuten de la
temperatura y del tiempo de exposicioacuten A 60degC se observa que el campo magneacutetico provoca una
disminucioacuten de la resistencia a la polarizacioacuten para los diferentes tiempos de electrodepoacutesito
realizados lo cual se traduce en un aumento de la velocidad de corrosioacuten de acuerdo con la
ecuacioacuten de Stern y Geary (Ec 14) Este efecto de disminucioacuten de la Rp tambieacuten se observa en
los datos a 30degC con excepcioacuten del tiempo 7 minutos
46
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal
En la Tabla 33 se presentan las variaciones de icorr y Vcorr sin campo magneacutetico y en
presencia de campo magneacutetico a 30deg y 60deg en funcioacuten del tiempo de electrodepoacutesito
En la Graacutefica 31 se puede observar que a 60degC con mayor tiempo de electrodeposicioacuten de
Ni disminuye la Vcorr Sin embargo se puede notar que con la presencia del campo las velocidades
de corrosioacuten son mayores pero respetando la tendencia antes mencionada
60degC17min CM
60degC17min SC
60degC12min CM
60degC12min SC
60degC7min CM
60degC7min SC
30degC17min CM
30degC17min SC
30degC12min CM
30degC12min SC
30degC7min CM
30degC7min SC
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Rp (Ohm cm2)
47
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de electrodeposicioacuten
La tabla 34 muestra los valores de Ecorr para ambas temperaturas (30degC y 60degC) y en las
dos condiciones ensayadas (sin campo y con campo) Sin campo magneacutetico y con excepcioacuten de
30degC y 17 min se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten el Ecorr se
desplaza hacia valores menos negativos al mismo tiempo que la Vcorr disminuye (Tabla 33) De
acuerdo con la Teoriacutea de Potencial Mixto explicada por Evans el sistema se encuentra bajo un
control tipo anoacutedico es decir que la reaccioacuten de oxidacioacuten de niacutequel se desplaza para dar un Ecorr
menos negativo al mismo tiempo que reduce la Vcorr
1198731198942+ + 2119890minus harr 119873119894deg
Sin embargo a 30degC y 17 min el sistema se encuentra bajo control catoacutedico debido a que
persiste la disminucioacuten de Vcorr ahora con un cambio en el potencial hacia valores maacutes negativos
Al comparar los valores de Ecorr sin campo magneacutetico con los de campo magneacutetico se observa que
para la temperatura 60degC los valores de Ecorr se desplazan hacia valores maacutes electronegativos
Como se discutioacute anteriormente esto se debe a un control cineacutetico tipo anoacutedico Cuando se
considera la temperatura de 30degC se observa un desplazamiento hacia valores menos negativos es
7min 12min 17min
000
002
004
006
008
010
Vco
rr (
mm
an
o)
Tiempo de electrodeposicion
60degC Sin campo
60degC Con campo
30degC Sin campo
30degC Con campo
48
decir la cineacutetica estaacute controlada por la reaccioacuten catoacutedica Diversos trabajos reportan este mismo
efecto en donde el campo magneacutetico tiene un efecto sobre la reaccioacuten de reduccioacuten de oxiacutegeno
1198742 + 21198672119874 + 4119890minus harr 4119874119867minus
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica
Como se mencionoacute previamente en el apartado 167 referente a la teacutecnica de impedancia
mediante esta teacutecnica es posible evidenciar y cuantificar el efecto que tiene la capacitancia de una
interface electroquiacutemica y asiacute proporcionar informacioacuten complementaria al estudio de corrosioacuten
Las graacuteficas 32 33 y 34 correspondientes a los diagramas de Nyquist obtenidos en los
tres diferentes tiempos de electrodeposicioacuten a 60degC con y sin influencia de campo magneacutetico
Revelan en los tres casos que el campo magneacutetico disminuye la resistencia a la transferencia de
carga (Rtc) es decir el proceso de corrosioacuten se ve favorecido tal como se pudo mostrar en los
resultados de resistencia a la polarizacioacuten De igual manera se observa una disminucioacuten en la
resistencia del electrolito (Rs) esto debido a la fuerza convectiva (visible) que ejerce el campo
magneacutetico en el electrolito el cual provoca una mejor difusioacuten de los iones dicha informacioacuten es
consistente a lo reportado por Calivar e Ispas [67]
49
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
500
1000
1500
2000 50 mHz
60degC 7min SC
60degC 7min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
1000
2000
3000
50 mHz
60degC 12min SC
60degC 12min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
50 kHz
50 mHz
Re(Z) (Ohm cm2)
50
Graacutefica 34 EIE de 60degC 17min
34 Dureza Rugosidad y Espesor
La Tabla 35 muestra que la aplicacioacuten de un campo magneacutetico durante el proceso de
electrodeposicioacuten de niacutequel provoca que la dureza disminuya lo que significa que el recubrimiento
es menos susceptible a fracturarse este resultado es similar a lo reportado por Zielinski [11] y la
disminucioacuten de fracturas en sus peliacuteculas de Co-W ante la presencia de un campo magneacutetico
Tambieacuten es importante sentildealar que la rugosidad de cada niquelado presentoacute un
empobrecimiento lo que significa que el campo magneacutetico ayuda a obtener recubrimientos maacutes
uniformes
0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000
0
3000
6000
9000
12000
15000
18000 50 mHz
60degC 17min SC
60degC 17min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
51
Los espesores fueron calculados mediante la foacutermula que aparece en el Anexo 1-B y se
puede notar que eacuteste decrece ante la presencia del campo magneacutetico Esto se puede constatar de
igual forma a partir de los datos de impedancia los cuales permitieron calcular los valores de
capacitancia a partir de la ecuacioacuten de Brug (Ec 19) cuyos resultados se muestran en la Tabla
36
Como se puede observar los valores de capacitancia con el campo magneacutetico son mayores
en un orden de magnitud que aquellos donde no existe el campo permitiendo confirmar que el
espesor maacutes delgado se encuentra con la influencia del campo
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
A continuacioacuten se muestran las imaacutegenes topograacuteficas obtenidas en el MFA Con lo cual se puede
corroborar que ocurre una disminucioacuten en la rugosidad de las peliacuteculas de niacutequel con presencia de
campo magneacutetico
52
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC-7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC-12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC-17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
36 Difraccioacuten de Rayos X
Los patrones de difraccioacuten de los recubrimientos de Ni en acero 1018 Figura 37 se caracterizan
por la presencia de los planos de la estructura cuacutebica centrada en las caras de acuerdo al PDF 03-
065-4899 [32] Esta fase cristalina estuvo presente en todos los recubrimientos
De acuerdo con lo reportado por Hu [33] la energiacutea de activacioacuten para la evolucioacuten de
hidroacutegeno es mayor en el plano (111) que en el plano (200) del Ni Dicho de otra manera en el
53
plano (200) habraacute maacutes produccioacuten de hidroacutegeno gaseoso durante el proceso de electrodeposicioacuten
de niacutequel lo que trae consigo posiblemente recubrimientos porosos
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia de campo
magneacutetico
Para los depoacutesitos en presencia de campo magneacutetico a 7 y 12min se observa una orientacioacuten
preferencial en el plano (200) sin embargo el pico a 7min es mucho mayor que el de 12
comparando estos resultados con las pruebas electroquiacutemicas y de acuerdo a los reportado por Hu
[33] esto nos lleva a suponer que en este caso el recubrimiento es maacutes poroso y delgado de acuerdo
a las medidas de espesor (Tabla 35) Para el caso de 17min con campo magneacutetico se tiene una
orientacioacuten preferencial en el plano (111) esta muestra tiene un mejor comportamiento
electroquiacutemico de acuerdo a la Figura 33 ademaacutes de acuerdo a lo reportado por Hu [33] nos lleva
a deducir que este recubrimiento es el menos poroso de los tres con campo magneacutetico Lo anterior
explica por queacute la velocidad de corrosioacuten es mayor a 7min y va disminuyendo conforme aumenta
el tiempo de electrodeposicioacuten Y tambieacuten revela la causa por la que el potencial de corrosioacuten es
maacutes negativo en presencia del campo magneacutetico La porosidad tambieacuten nos explica la razoacuten por la
cual la dureza de los recubrimientos hechos en presencia del campo magneacutetico disminuye con
respecto a aquellos realizados en ausencia del mismo
40 45 50 55 600
4000
8000
12000
16000
20000
17min SC
17min CM
12 min CM
12 min SC
7min CM
Inte
nsid
ad
(U
A)
2 (grados)
60degC-7min SC
60degC-12min SC
60degC-17min SC
60degC-7min CM
60degC-12min CM
60degC-17min CM
Ni
7min SC
(111) (200)
54
La existencia de los poros en el recubrimiento propicia un par galvaacutenico Figura 38 entre
el niquelado electroliacutetico y el acero 1018 ya que este uacuteltimo es maacutes electronegativo por
consiguiente maacutes propenso a la corrosioacuten Tambieacuten estaacute el efecto de las diferencias de aacutereas entre
aacutenodo (acero) y caacutetodo (niquelado) siendo en este caso el caacutetodo quien posee mayor aacuterea de
exposicioacuten al ambiente es el aacutenodo quien se corroeraacute maacutes faacutecil y raacutepidamente
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni
37 Microscopia Electroacutenica de Barrido
Las Figuras 39 310 y 311 muestran las imaacutegenes obtenidas en el MEB de los recubrimientos de
Ni a 60degC 7min 12min y 17min respectivamente Se aprecia una morfologiacutea maacutes uniforme con la
presencia de campo magneacutetico y las aglomeraciones de partiacuteculas metaacutelicas son mucho maacutes
grandes que sus homoacutelogos sin influencia del campo
55
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y sin influencia
de campo magneacutetico
56
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min con y sin
influencia de campo magneacutetico
57
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min con y sin
influencia de campo magneacutetico
58
Conclusiones
A partir de los resultados experimentales obtenidos en el presente trabajo se puede concluir lo
siguiente
La eficiencia de electrodepositacioacuten es funcioacuten de la pureza del aacutenodo y de la corriente
aprovechada por la reaccioacuten de reduccioacuten de hidroacutegeno
El aumento en el tiempo de electrodepositacioacuten conduce a un aumento en la masa de niacutequel
electrodepositada esto es vaacutelido para la condicioacuten sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico
sin embargo esto no garantiza la disminucioacuten de Vcorr
Sin campo magneacutetico los resultados obtenidos a 30degC y 60degC muestran que la Vcorr
disminuye conforme el tiempo de electrodepoacutesito de niacutequel aumenta Tambieacuten en ausencia del
campo las Vcorr obtenidas a 30degC son menores comparadas con las Vcorr a 60degC a excepcioacuten de
17 min
Sin campo magneacutetico se observa que la degradacioacuten del niquelado estaacute controlada por una
cineacutetica anoacutedica lo cual es vaacutelido para 30degC y para 60degC con excepcioacuten de 30degC y 17 min donde
la cineacutetica que controla es catoacutedica Asimismo a 30degC con campo magneacutetico se observa que la
cineacutetica que controla el sistema es la catoacutedica lo cual sugiere que la reaccioacuten de reduccioacuten de
oxiacutegeno ser manipulada por el campo magneacutetico
En presencia del campo magneacutetico se encontroacute que la resistencia de la solucioacuten disminuyoacute
tanto a 30degC como a 60degC debido a una fuerza adicional convectiva que provoca el campo
magneacutetico
La Vcorr es dependiente de la cantidad de masa depositada pero tambieacuten del ordenamiento
cristalino que los aacutetomos de niacutequel adquieren al momento del electrodepoacutesito
En presencia del campo magneacutetico las micrografiacuteas MEB revelan superficies con menos
rugosidad respecto a las muestras sin campo magneacutetico
A 60degC hay poca o nula contribucioacuten del campo magneacutetico mientras que a 30degC si hay una
contribucioacuten del campo pero es negativa respecto a la Vcorr
59
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Anexo 1 Caacutelculos
1-A Caacutelculo de eficiencia
En la praacutectica la corriente suministrada a un sistema no es aprovechada al 100 pues hay
peacuterdidas de corriente por diversos motivos entre otros
a) Desviacioacuten de corriente por caminos secundarios
b) Impurezas de las soluciones (las cuales dan reacciones secundarias)
c) Resistencia eleacutectrica propia del bantildeo electroliacutetico
d) Peacuterdidas por transformacioacuten de energiacutea eleacutectrica a energiacutea caloriacutefica
e) Fenoacutemenos de polarizacioacuten
Entonces se puede decir que
Eficiencia en corriente = 119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119905119890oacute119903119894119888119886
119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119904119906119898119894119899119894119904119905119903119886119889119886 119903119890119886119897x100
1-B Caacutelculo de Espesor
El meacutetodo maacutes satisfactorio para medir el espesor promedio de una capa es disolverla y determinar
el peso de la misma a partir de una muestra cuya aacuterea se conozca en el caso de este estudio se
pesaron las placas antes y despueacutes del electrodepoacutesito para determinar la masa depositada El
espesor se calcula asiacute a partir del peso y del aacuterea y de la densidad o peso especiacutefico del depoacutesito
utilizando la foacutermula
T (espesor) = 119862119882 (119901119890119904119900)
119860(aacute119903119890119886)times119863(119901119890119904119900 119890119904119901119890119888iacute119891119894119888119900)
En donde C es una constante que depende simplemente de las unidades utilizadas En
unidades meacutetricas la ecuacioacuten se transforma en
T(mm) = 10119882(119892119903)
119860(1198881198982)times119863
63
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 7min
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 12min
-0000006 -0000003 0000000 0000003
-040
-038
-036
-034
-032
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
-0000004 -0000002 0000000 0000002
-035
-034
-033
-032
-031
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
64
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 17min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 7min
-00000006 -00000003 00000000 00000003 00000006
-026
-024
-022
-020
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
-00000027 -00000018 -00000009 00000000 00000009 00000018
-028
-024
-020
-016
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
65
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 12min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 17min
-0000004 -0000002 0000000 0000002 0000004
-038
-036
-034
-032
-030
-028
-026
-024
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
-0000006 -0000003 0000000 0000003 0000006 0000009
-032
-031
-030
-029
-028
-027
-026
-025
-024
-023
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
xi
Figura 22 Determinacioacuten de los polos 37
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico 37
Figura 24 Rondelas de niacutequel 38
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con
imanes de Neodimio
39
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el
electrodo de referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo
(ET)
39
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad 41
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB 41
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni 43
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido 44
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal 46
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC 7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC 12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC 17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo
magneacutetico
52
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia
de campo magneacutetico
53
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni 54
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y
sin influencia de campo magneacutetico
55
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min
con y sin influencia de campo magneacutetico
56
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min
con y sin influencia de campo magneacutetico
57
xii
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de
electrodeposicioacuten
47
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min 49
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min 49
Graacutefica 34 EIE de 60degC a 17min 50
xiii
Nomenclatura
Ni ndash Niacutequel
T ndash Tesla
M ndash Metal
A ndash Ampere
Ec ndash Ecuacioacuten
ER ndash Electrodo de Referencia
ET ndash Electrodo de Trabajo
EA ndash Electrodo Auxiliar
Ecorr ndash Potencial de corrosioacuten
Vcorr ndash Velocidad de corrosioacuten
Rp ndash Resistencia a la polarizacioacuten
Rtc ndash Resistencia a la transferencia de carga
Rs ndash Resistencia del electrolito o de la solucioacuten
EIE ndash Espectroscopiacutea de impedancia electroquiacutemica
MFA ndash Microscopiacutea de fuerza atoacutemica
DRX ndash Difraccioacuten de rayos X
MEB ndash Microscopiacutea electroacutenica de barrido
SC ndash Sin campo magneacutetico
CM ndash Con campo magneacutetico
HV ndash Dureza Vickers
xiv
Resumen
En este estudio se obtuvieron recubrimientos de niacutequel con y sin presencia de campo magneacutetico a
60degC a 7 12 y 17 min sobre sustratos de acero al carbono AISI 1018 a partir de una solucioacuten tipo
Watts claacutesica Las propiedades de los recubrimientos se estudiaron mediante DRX MEB MFA
duroacutemetro y rugosiacutemetro tambieacuten se estudioacute el comportamiento electroquiacutemico de las peliacuteculas
mediante RP y EIE y ademaacutes se realizaron caacutelculos de capacitancia icorr velocidad de corrosioacuten
y espesor En general el campo magneacutetico tiene una influencia negativa en las propiedades fiacutesicas
y quiacutemicas de un electrodeposito de Ni en acero AISI 1018 Los detalles son discutidos en esta
investigacioacuten
Abstract
In this study nickel coatings were obtained with and without the presence of magnetic field at 60degC
for 7 12 and 17 min on substrates of AISI 1018 carbon steel from a classical type Watts solution
The properties of the coatings were studied by XRD SEM AFM hardness tester and roughness
tester the electrochemical behavior of the films was also studied through RP and EIE and also
capacitance calculations icorr corrosion rate and thickness were made In general the magnetic
field has a negative influence on the physical and chemical properties of an electrodeposited Ni
steel AISI 1018 The details are discussed in this research
1
Introduccioacuten
En los Reactores de agua en ebullicioacuten (BWR por sus siglas en ingleacutes) la radioacutelisis del agua
produce un medio altamente oxidante [1] que genera que los materiales estructurales presenten un
elevado potencial electroquiacutemico de corrosioacuten (PEC) cuando estaacuten en contacto con el agua en el
BWR Este PEC incrementa la propensioacuten a experimentar agrietamiento por corrosioacuten bajo
esfuerzos (SCC) [2] y agrietamiento por corrosioacuten intergranular bajo esfuerzos (IGSCC) [3] en los
materiales de los componentes internos tales como acero inoxidable aleaciones base niacutequel y las
zonas afectadas por el calor (HAZ) propias de un proceso de soldadura Ademaacutes en las condiciones
de alta temperatura del reactor BWR se forma una capa de oacutexido que puede ser hematita en
condiciones de alto oxiacutegeno o magnetita en condiciones de bajo oxiacutegeno Este segundo oacutexido es
un imaacuten por naturaleza por lo que este estudio contribuiraacute ademaacutes a discernir y en dado caso a
explicar si la presencia de un oacutexido magneacutetico o de otro que no lo sea tiene una influencia en la
deposicioacuten de recubrimientos alternos para mitigar el agrietamiento por corrosioacuten bajo esfuerzos
(SCC por sus siglas en ingleacutes) de los materiales de componentes internos de reactores BWR
El electrodepoacutesito de niacutequel sobre una superficie metaacutelica se hace con el fin de proteger las
piezas de la corrosioacuten pues posee buenas propiedades anticorrosivas y buena resistencia al
desgaste Los recubrimientos de niacutequel se utilizan en numerosos sectores industriales electroacutenica
componentes eleacutectricos petroquiacutemica automocioacuten etc [4] Por ello el presente trabajo muestra la
utilizacioacuten de un campo magneacutetico de 15 a 34 T (Valor fluctuante) para la obtencioacuten de
recubrimientos de Ni en acero un acero bajo carbono especiacuteficamente el AISI 1018 Las
propiedades de dichos recubrimientos se evaluaron mediante teacutecnicas electroquiacutemicas como Rp y
EIE para determinar las velocidades de corrosioacuten de las peliacuteculas De igual manera se estudiaron
los recubrimientos mediante DRX MEB y MFA Para finalmente establecer la influencia positiva
o negativa de dicho campo magneacutetico en los procesos de deposicioacuten electroliacutetica
2
Justificacioacuten
Para mitigar el SCC de los componentes internos de los BWR [5] en la actualidad se antildeaden sales
como precursores metaacutelicos por ejemplo Na2Pt(OH)6 que se transforman en partiacuteculas metaacutelicas
al entrar en contacto con el acero debido a la diferencia de potencial entre Fe y Pt [6] adhirieacutendose
al acero estructural por medio de procesos de precipitacioacuten Estas partiacuteculas catalizan las reacciones
de recombinacioacuten de especies oxidantes disminuyendo los procesos de corrosioacuten del acero sin
embargo los catalizadores basados en Pt tienen el inconveniente de costo elevado [7]
En este sentido una posible opcioacuten es la electrodeposicioacuten de un metal sobre la superficie
que se interesa proteger pero la efectividad de estos depoacutesitos depende de la preparacioacuten de la
superficie y de aspectos teacutecnicos ya estandarizados en normativas por ejemplo la Norma ISO
1458-1974 ldquoMetallic coatingsrdquo Si bien son de los mejores meacutetodos para proteger un metal auacuten
presentan diversas anomaliacuteas que generan superficies porosas falta de cohesioacuten y peliacuteculas
amorfas lo que conlleva a altos costos de produccioacuten debido a que se debe repetir el proceso y
contaminacioacuten ambiental a causa de los reactivos quiacutemicos usados para limpiar nuevamente la
superficie a recubrir
Debido a lo anterior este estudio tiene por objeto determinar si el campo magneacutetico influye
o no en las propiedades de adherencia rugosidad y eficiencia de un electrodepoacutesito de niacutequel
Siendo los mayores beneficiarios con este trabajo investigativo el ambiente la industria
galvanoplaacutestica y la comunidad electroquiacutemica
3
Objetivo General
Evaluar el efecto de un campo magneacutetico sobre las propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero bajo carbono especiacuteficamente en un acero AISI 1018
Objetivos Especiacuteficos
1- Elaborar electrodepoacutesitos de niacutequel en acero 1018 con y sin presencia de campo magneacutetico
2- Evaluar los electrodepoacutesitos mediante corriente directa y alterna
3- Analizar los electrodepoacutesitos por medio de pruebas fiacutesicas y quiacutemicas
4- Determinar el efecto de un campo magneacutetico en un electrodepoacutesito de niacutequel
4
Hipoacutetesis
El campo magneacutetico provoca una orientacioacuten en los iones yo moleacuteculas del electrolito destinado
a la electrodeposicioacuten con ello se modifican ciertas propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero 1018
5
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico
11 Antecedentes
El efecto de un campo magneacutetico sobre la orientacioacuten de las moleacuteculas durante un proceso de
formacioacuten de un producto ha sido muy poco estudiado En la industria se encuentran algunos casos
sin que haya reportes formales A continuacioacuten se discutiraacuten algunos de ellos
El ldquoFuel Energy Saverrdquo (Figura 11) es un producto de la compantildeiacutea mexicana ldquoEnergy
Saverrdquo se trata de un inductor de resonancia magneacutetica de alta potencia que genera frecuencias
especiacuteficas la cual fractura las cadenas de hidrocarburos alineando y haciendo todas las moleacuteculas
maacutes accesibles al oxiacutegeno lo que se traduce en una mejor combustioacuten con el consiguiente ahorro
de combustible y reduccioacuten de contaminacioacuten [8] Es aplicable para cualquier tipo de combustible
(gas natural gas LP dieacutesel combustoacuteleo gasoacuteleo) y puede ser usado en todo equipo de iacutendole
industrial (hornos calderas calentadores secadores estufas)
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver
Algunas empresas del ramo automotriz (por ejemplo Mercedes Benz) estaacuten empleando el
principio del FES para que por medio un campo magneacutetico se orienten las moleacuteculas del
combustible y de oxiacutegeno antes de que eacutestas sean consumidas La explicacioacuten a este fenoacutemeno fue
dada por Kita amp Kulish [9] que consiste en lo siguiente el combustible se consumiraacute a medida que
haya oxiacutegeno disponible Si en lugar de que el oxiacutegeno se alimente de manera ldquodesordenadardquo eacuteste
pudiera ser orientado antes de entrar a la caacutemara de combustioacuten se lograriacutea un mejor consumo de
combustible-oxiacutegeno lo cual se traduce en mayor potencia en el motor y un mejor
aprovechamiento del combustible es decir habriacutea menor cantidad de contaminantes (NOx y CO2)
en el escape
6
Otro ejemplo del uso de campos magneacuteticos se puede encontrar en la formacioacuten de
calcaacutereos en intercambiadores de calor La industria que sufre de formacioacuten de dichos productos
tambieacuten ha encontrado beneficios con el uso de un campo magneacutetico colocado en el depoacutesito de
agua y se observa que los productos calcaacutereos se desvanecen tal como se aprecia en la Figura 12
La explicacioacuten a este efecto se atribuye nuevamente a la reorientacioacuten de las moleacuteculas dando como
consecuencia una estructura amorfa en lugar de una cristalina caracteriacutestica de los calcaacutereos [10]
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes (izq)
Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico aplicado
Por el lado de las investigaciones cientiacuteficas se tiene el anaacutelisis del efecto de un campo
magneacutetico de 12 T en la electrodeposicioacuten y estructura de las aleaciones cobalto-tungsteno con
ello Zielinski [11] pudo establecer que la aplicacioacuten del campo magneacutetico cambioacute la composicioacuten
quiacutemica y la morfologiacutea de las aleaciones Co-W
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas (izq) Con
campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
7
De la misma manera Ferreira y Colnago [12] estudiaron la influencia del campo magneacutetico
de una resonancia magneacutetica nuclear (RMN) durante la reaccioacuten electroliacutetica del cobre Sus
resultados fueron exitosos pues la reaccioacuten en presencia de un campo magneacutetico de 023 T tuvo
un rendimiento del doble que la de la reaccioacuten en ausencia de dicho campo
Finalmente pero no menos importantes Calivar [13] con su creacioacuten de modelos de
conveccioacuten magneacutetica en electrodeposicioacuten de peliacuteculas delgadas de cobre y tambieacuten Ispas [14]
con su estudio del efecto de un campo magneacutetico de 05 T en la electrodeposicioacuten de la aleacioacuten
Ni-Fe Ambos llegaron a la misma conclusioacuten un campo magneacutetico provoca una conveccioacuten en el
fluido el cual provoca una contribucioacuten adicional de masa-transporte
12 Generalidades
121 El campo magneacutetico
Se trata de un campo que ejerce fuerzas (denominadas magneacuteticas) sobre los materiales Es una
magnitud vectorial pero no produce ninguacuten efecto sobre cargas en reposo (como siacute lo hace el
campo eleacutectrico doacutende las acelera a traveacutes de la fuerza eleacutectrica) Sin embargo el campo magneacutetico
siacute tiene influencia sobre cargas eleacutectricas en movimiento [15]
Por ejemplo en el estado soacutelido si una carga en movimiento atraviesa un campo magneacutetico
la misma sufre la accioacuten de una fuerza magneacutetica que no modifica la velocidad pero siacute la
trayectoria Cabe mencionar que en el estado liacutequido o en el estado gaseoso el efecto del campo
magneacutetico no estaacute bien definido
Figura 14 El campo magneacutetico
8
La unidad de campo magneacutetico en el Sistema Internacional es el tesla (T) Un tesla se define
como el campo magneacutetico que ejerce una fuerza de 1 N (newton) sobre una carga de 1 C (coulomb)
que se mueve a velocidad de 1 ms dentro del campo
122 Definicioacuten de corrosioacuten
Se denomina corrosioacuten al ataque destructivo de un material generalmente metaacutelico por reaccioacuten
quiacutemica o electroquiacutemica con su medio ambiente (atmoacutesfera suelo agua etc)
La reaccioacuten baacutesica de corrosioacuten es
M Mn+ + ne-
De acuerdo con ello tambieacuten es posible definir la corrosioacuten desde un punto de vista maacutes
electroquiacutemico como el traacutensito de un metal de su forma elemental a su forma ioacutenica o combinada
con una respectiva cesioacuten de electrones [16] Dicho de otra manera el metal a traveacutes de la
corrosioacuten retorna a su forma combinada formando oacutexidos sulfuros hidroacutexidos etc Pues asiacute es
como los metales se encuentran habitualmente en la naturaleza por tratarse de formas
termodinaacutemicamente maacutes estables
El proceso de corrosioacuten es natural y espontaacuteneo y cuanto mayor es la energiacutea gastada en la
obtencioacuten del metal a partir del mineral tanto maacutes es la tendencia del metal a regresar a su forma
basal es decir mucho maacutes favorecida termodinaacutemicamente estaacute la reaccioacuten de oxidacioacuten
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten
Tradicionalmente se establecen dos procesos baacutesicos de ataques corrosivos atendiendo al medio
en el que se producen
Corrosioacuten seca
Corrosioacuten huacutemeda
1231 Corrosioacuten seca
Tiene lugar cuando el material se encuentra sometido a la accioacuten de gases principalmente a
temperaturas elevadas por lo que no se tiene un electrolito condensado Este tipo de corrosioacuten es
la que se produce en calderas sobrecalentadores reactores etc en la parte que estaacute en contacto
con los productos de combustioacuten
9
En la corrosioacuten seca los oacutexidos que se forman son de caraacutecter ioacutenico (cationes metaacutelicos y
aniones de oacutexido regularmente distribuidos) La estructura cristalina formada presenta
normalmente defectos reticulares (deficiencias ioacutenicas) a traveacutes de los cuales se produce la
difusioacuten de iones
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca
1232 Corrosioacuten huacutemeda
Tiene lugar cuando el material se encuentra en medios acuosos (Figura 16) Se produce
normalmente a temperatura ambiente o no muy elevada Es la maacutes extendida por cuanto afecta a
un sinfiacuten de elementos en los que el material es usado en tanques tuberiacuteas intercambiadores
precalentadores carcasas estructuras buques etc
Todos los procesos de corrosioacuten involucran transferencia de carga (iones y electrones) en
particular en el caso de corrosioacuten huacutemeda eacutesta se da a traveacutes de soluciones acuosas (electrolitos)
las cuales son eleacutectricamente conductoras En general el proceso requiere de tres etapas
1) Oxidacioacuten Los aacutetomos metaacutelicos aumentan su valencia al ceder electrones convirtieacutendose
en iones positivos los cuales pasan al electrolito
2) Transporte de carga Los electrones son transferidos al caacutetodo
3) Reduccioacuten Reaccioacuten donde se consumen los electrones generados en la oxidacioacuten
Este tipo de corrosioacuten es netamente electroquiacutemico ya que es un proceso en el que se llevan
a cabo reacciones de oxidacioacuten y de reduccioacuten de ahiacute que se conozca coacutemo proceso REDOX Cabe
mencionar que se puede favorecer una reaccioacuten u otra en caso de inclinarse por la oxidacioacuten
10
entonces se da la corrosioacuten y si es la reduccioacuten se puede proteger al metal por ejemplo con
electrodepoacutesitos
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda
124 Tipos de ataque por corrosioacuten
Es importante sentildealar que la corrosioacuten huacutemeda presenta dos tipos de ataque corrosioacuten uniforme y
corrosioacuten localizada
a) Corrosioacuten uniforme homogeacutenea o generalizada El ataque se extiende de forma
homogeacutenea sobre toda la superficie metaacutelica y por tanto la peacuterdida de material es
aproximadamente la misma en todos los puntos A este tipo de ataque se le identifica por
crecimiento 2D debido a que se desarrolla preferentemente a lo largo de la superficie Por
consiguiente es relativamente faacutecil estimar la vida uacutetil de los materiales metaacutelicos que lo
sufren
b) Corrosioacuten localizada El ataque no se distribuye de forma homogeacutenea localizaacutendose por
el contrario en determinadas zonas de la superficie metaacutelica A este tipo de ataque se le
conoce por crecimiento 3D debido a que se desarrolla de manera local dando preferencia a
la profundidad maacutes que a la superficie Dentro de este tipo de corrosioacuten existe a su vez
otra clasificacioacuten que se menciona a continuacioacuten
11
a Corrosioacuten por picadura
b Corrosioacuten por hendidura
c Corrosioacuten galvaacutenica
d Corrosioacuten intergranular
e Corrosioacuten bajo tensioacuten
f Corrosioacuten cavitacioacuten
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten
125 Celdas electroquiacutemicas
En corrosioacuten una celda es un dispositivo en el cual se producen reacciones quiacutemicas de oxidacioacuten
y reduccioacuten El aparato se integra de las siguientes partes sustancia que contiene iones (electrolito)
dos electrodos (caacutetodo y aacutenodo) y una conexioacuten eleacutectrica entre ambos electrodos
Existen dos tipos de celdas las electroliacuteticas que requieren un voltaje externo (fuente de
poder) y las electroquiacutemicas o galvaacutenicas que solamente necesitan un instrumento para registrar
voltaje Por lo cual se dice que las primeras son no espontaacuteneas y las segundas espontaacuteneas
Termodinaacutemicamente una reaccioacuten espontaacutenea presenta una energiacutea libre de Gibbs negativa y la
no espontaacutenea positiva tal como se aprecia en la Tabla 11
12
1251 Celda galvaacutenica
Una celda galvaacutenica (Figura 18) es aquella en la cual la energiacutea quiacutemica es convertida en energiacutea
eleacutectrica por medio de una reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea Esto se debe a que un metal es maacutes activo
y otro maacutes noble aacutenodo y caacutetodo respectivamente seguacuten la serie galvaacutenica por lo que al ser
conectados eleacutectricamente producen un flujo de electrones desde el caacutetodo al aacutenodo Dicho flujo
genera un potencial eleacutectrico que puede ser medido experimentalmente
Los requisitos para que se produzca un proceso de corrosioacuten en una pila galvaacutenica son los
siguientes
1 Dos superficies con distinto potencial electroacutedico
a Una de ellas que constituye al aacutenodo de la reaccioacuten al ceder electrones sufriraacute la
corrosioacuten Es decir aquiacute se lleva a cabo la reaccioacuten de oxidacioacuten Es el polo
negativo
Mdeg Mne- + ne-
b La otra que constituye el caacutetodo ganaraacute los electrones cedidos por el aacutenodo En
esta zona ocurriraacute la reaccioacuten de reduccioacuten Es el polo positivo
Mne- + ne- Mdeg
13
2 Un electrolito conductor ioacutenico que contiene los elementos caracteriacutesticos del medio
corrosivo Es justo aquiacute en el seno de la solucioacuten donde ocurre el transporte de materia
3 Una conexioacuten eleacutectricamente conductora entre el aacutenodo y el caacutetodo para que sea posible
el transporte de carga
Figura 18 Celda galvaacutenica
1252 Celda electroliacutetica
Las celdas electroliacuteticas no son espontaacuteneas por lo que debe aplicarse externamente un potencial
eleacutectrico para que funcionen Al proveer dicha energiacutea se fuerza a que una corriente eleacutectrica pase
por la celda con el fin de generar reacciones quiacutemicas de oacutexido-reduccioacuten en la superficie de los
electrodos de dicha celda Uno de los procesos maacutes conocidos es el electrodepoacutesito de metales
como cobre niacutequel o zinc Es importante puntualizar que aquiacute el aacutenodo estaraacute cargado
positivamente y el caacutetodo negativamente contrario a lo sucedido en las celdas galvaacutenicas
Las partes que conforman a la celda electroliacutetica son las siguientes
1 Electrolito Al igual que en las celdas galvaacutenicas se necesita de un conductor ioacutenico
2 Aacutenodo En este tipo de celdas el aacutenodo posee el polo positivo y aquiacute se lleva a cabo la
oxidacioacuten de la especie electroquiacutemica
3 Caacutetodo Eacuteste es el polo negativo y en eacutel se produce la reduccioacuten de la especie
electroquiacutemica
14
4 Fuente de energiacutea Es quien aplica la energiacutea necesaria para poder invertir el sentido
natural de la corriente dando lugar a una reaccioacuten quiacutemica opuesta a la que se produce
espontaacuteneamente en la pila
Figura 19 Celda electroliacutetica
13 Principios Electroquiacutemicos
131 Electrolitos
Todos los solutos que se disuelven en agua se agrupan en dos categoriacuteas electrolitos y no
electrolitos Un electrolito es una sustancia que cuando se disuelve en agua forma una disolucioacuten
capaz de conducir la electricidad Un no electrolito por lo tanto no conduce la corriente eleacutectrica
cuando se disuelve en agua
1311 Tipos de electrolitos
Los electrolitos se clasifican en fuertes y deacutebiles Los primeros son sustancias que estaacuten casi
completamente disociadas en la solucioacuten e incluyen soacutelidos ioacutenicos y aacutecidos fuertes Los uacuteltimos
poseen enlaces tan fuertes que muy difiacutecilmente se ionizan en solucioacuten permaneciendo la mayor
parte en forma de moleacuteculas las cuales no tienen la capacidad de transportar carga eleacutectrica como
lo hacen los iones Es importante mencionar que los electrolitos por buenos conductores de la
electricidad que puedan ser siempre tendraacuten menor capacidad para conducir la electricidad que los
materiales soacutelidos [17]
15
132 Ley de Ohm
Una de las maacutes importantes caracteriacutesticas eleacutectricas de un material soacutelido es la facilidad con que
transmite una corriente eleacutectrica La ley de Ohm relaciona la corriente (I) o sea el paso de carga
por unidad de tiempo con el voltaje aplicado (V) de la manera siguiente
V = IR
Donde R es la resistencia del material a traveacutes del cual pasa la corriente Las unidades de
V I y R son respectivamente voltios (V) amperios (A) y ohmios (Ω)
133 Leyes de Faraday
En electroquiacutemica es de suma importancia poder determinar la velocidad a la que ocurren las
reacciones de oacutexido-reduccioacuten cuando una corriente atraviesa una interfase soacutelido-electrolito pues
esto trae como consecuencia un transporte de materia resultado de la peacuterdida (oxidacioacuten) o
ganancia (reduccioacuten) de masa en el electrodo de trabajo
Cabe mencionar que las caracteriacutesticas superficiales del electrodo y las interacciones del
electrolito en dicha superficie son las que determinan la velocidad de reaccioacuten de un proceso
electroquiacutemico [18] Sin embargo hay tantos factores que pueden afectar directamente la velocidad
de reaccioacuten que por ello las leyes de Faraday solo son utilizables cuando el proceso controlador es
la transferencia de carga
Con las investigaciones del fiacutesico britaacutenico Michael Faraday (1791-1867) se descubrieron
las relaciones cuantitativas entre la cantidad de electricidad que pasa a traveacutes de una solucioacuten y la
cantidad de materia separada o precipitada en los electrodos Es decir con dichas expresiones es
posible calcular el transporte de materia en la interfase soacutelido-electrolito [16]
Primera Ley La masa de un ion liberado o depositado en un electrodo es proporcional a
la cantidad de electricidad que pase a traveacutes de la solucioacuten
Ec 11
16
m = 119868119905119875119860
119899119865
Donde PA es el peso atoacutemico la I la corriente en Amperes t el tiempo que pasa dicha carga
en segundos n el nuacutemero de equivalentes involucrados y F la constante de Faraday
Segunda Ley Las cantidades de sustancias liberadas o depositadas por una cantidad de
electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes Aplica cuando una misma
cantidad de electricidad atraviesa distintos electrolitos es decir cuando el proceso se lleva a cabo
en serie
1198981
1198901=
1198982
1198902
Donde m1 y m2 son las masas depositadas y e1 y e2 son los equivalentes quiacutemicos El
equivalente quiacutemico es la relacioacuten entre el peso atoacutemico y el nuacutemero de oxidacioacuten del compuesto
en cuestioacuten
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary
La ecuacioacuten de Stern-Geary establece la relacioacuten entre la densidad de corriente de corrosioacuten (icorr)
es decir la velocidad de corrosioacuten con la resistencia a la polarizacioacuten [19]
119894119888119900119903119903 = 119861
119877119875
119861 = 119887119886119887119888
2303 (119887119886 + 119887119888)
Donde ba y bc son las pendientes de Tafel anoacutedica y catoacutedica respectivamente
La constante B en la ecuacioacuten sirve para presentar una relacioacuten existente entre las
pendientes de Tafel Para que la ecuacioacuten de Stern-Geary sea aplicable es imperativo que exista
comportamiento tafeliano en el sistema electroquiacutemico
Ec 12
Ec 13
Ec 14
Ec 15
17
14 Control de la corrosioacuten
Baacutesicamente todos los meacutetodos que existen para lograr controlar la corrosioacuten de los materiales
metaacutelicos son intentos para interferir con el mecanismo de corrosioacuten de tal manera que se pueda
hacer que eacuteste sea lo maacutes ineficiente posible Dado que para que exista un proceso de corrosioacuten
debe formarse una pila o celda de corrosioacuten ademaacutes de una diferencia de potencial entre los
electrodos o zonas anoacutedicas y catoacutedicas la eliminacioacuten de alguno de los componentes esenciales
de la mencionada pila podriacutea llegar a detener el proceso [20]
En la praacutectica existen tres maneras de lograr lo anterior y enseguida se explicaraacute en queacute
consiste cada una Sin embargo es muy importante sentildealar que ninguacuten meacutetodo elimina la
corrosioacuten sino que todos disminuyen la velocidad de la reaccioacuten de oxidacioacuten ya que el metal
siempre buscaraacute la condicioacuten de miacutenima energiacutea que es la formacioacuten de oacutexidos e hidroacutexidos
141 Proteccioacuten catoacutedica
Se debe recordar que toda estructura propensa a corroerse presenta zonas catoacutedicas y anoacutedicas
siendo estas uacuteltimas aquellas aacutereas donde se lleva a cabo la corrosioacuten Pero si todas las aacutereas
anoacutedicas se pudieran convertir en catoacutedicas la estructura completa funcionariacutea como caacutetodo y la
corrosioacuten se disminuiriacutea considerablemente [21] Ese es el mecanismo de accioacuten de la proteccioacuten
catoacutedica y se puede llevar a cabo de dos maneras tal como lo muestra la Figura 110
Por corriente impresa La proteccioacuten se logra aplicando una corriente externa a partir de
un rectificador que suministra corriente continua de bajo voltaje El terminal positivo de la
fuente de corriente se conecta a un aacutenodo auxiliar (grafito por ejemplo) localizado a una
determinada distancia de la estructura a proteger y el terminal negativo se conecta a la
estructura metaacutelica
Por aacutenodos de sacrificio El metal a proteger se conecta a otro metal menos noble seguacuten
la serie galvaacutenica que actuaraacute como aacutenodo en la celda de corrosioacuten En ese caso la
estructura actuaraacute como caacutetodo y quedaraacute protegida por el ldquosacrificiordquo del aacutenodo que se
corroeraacute
18
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de sacrificio de
magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
142 Inhibidores de corrosioacuten
Los inhibidores son sustancias orgaacutenicas o inorgaacutenicas que se agregan a la solucioacuten corrosiva con
el fin de disminuir su poder de ataque y asiacute reducir la velocidad de corrosioacuten Se puede decir que
un inhibidor es un calmante de la corrosioacuten pues como ya se mencionoacute con anterioridad ninguacuten
meacutetodo la elimina en su totalidad
El comportamiento de los inhibidores puede ser muchas veces peligroso ya que en funcioacuten
de la concentracioacuten pueden jugar tanto el papel de inhibidores como de estimuladores de la
corrosioacuten [21]
Los hay de dos tipos aunque a veces se utiliza una combinacioacuten de ambos
1) Inhibidores anoacutedicos Actuacutean formando un compuesto insoluble el cual precipita en los
lugares afectados por la peacuterdida de materia evitando la reaccioacuten anoacutedica y por lo tanto
inhibe la corrosioacuten Ejemplos hidroacutexido soacutedico carbonato silicato y borato de sodio
ciertos fosfatos cromato soacutedico nitrito y benzoato de sodio etc
2) Inhibidores catoacutedicos Actuacutean sobre toda la superficie formando una capa o peliacutecula de
alta resistencia eleacutectrica la cual funciona como una barrera para la corriente de corrosioacuten
Ejemplos sulfato de zinc sulfato de magnesio bicarbonato de calcio etc
143 Recubrimientos protectores
Los recubrimientos representan la primera liacutenea en la lucha contra la corrosioacuten Los recubrimientos
sea cual fuere su tipo no mejoran las caracteriacutesticas mecaacutenicas del elemento sin embargo
preservan su resistencia e integridad Sus objetivos pueden ser variados siendo el principal aislar
la estructura del medio agresivo con el que se encuentra en contacto (agua suelo y atmoacutesfera por
lo general) aunque tambieacuten cumplen en ocasiones fines cosmeacuteticos
19
En general se emplean bajo condiciones muy amplias como puede ser exposicioacuten
atmosfeacuterica inmersioacuten en agua estructuras enterradas elementos sometidos a quiacutemicos etc Los
recubrimientos representan la uacuteltima etapa de los procesos de fabricacioacuten de cualquier pieza
sistema o equipo siendo normalmente aplicados antes del ensamble [21] Existe por lo tanto una
amplia gama de materiales que pueden ser utilizados como recubrimientos de los metales
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos
Orgaacutenicos Los recubrimientos orgaacutenicos son poliacutemeros y resinas producidas en forma
natural o sinteacutetica generalmente formulados para aplicarse como liacutequidos que se secan o
endurecen como peliacuteculas delgadas en materiales del sustrato Por ejemplo las pinturas
Inorgaacutenicos Los recubrimientos inorgaacutenicos proporcionan acabados tersos y maacutes
duraderos los maacutes usados son el vidrio y los ceraacutemicos
Metaacutelicos Los recubrimientos metaacutelicos se aplican mediante capas finas que funcionen
como aacutenodos sacrificables que puedan ser corroiacutedos en lugar del metal subyacente Por
ejemplo Niquelado cromado galvanizado electroliacutetico inmersioacuten en caliente etc
15 Galvanoplastia
La galvanoplastia es una teacutecnica que proporciona un recubrimiento metaacutelico a una estructura que
deseamos proteger El elemento adherido modifica las propiedades superficiales del material sobre
el cual se depositan promoviendo caracteriacutesticas que son imposibles de obtener en el metal base
Es un meacutetodo que se fundamenta en la electroacutelisis para asiacute cubrir un metal base con un fina
capa de otro metal ya sea cobre niacutequel cromo oro plata con el fin de embellecerlo o impartirle
resistencia a la corrosioacuten
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten
La electrodeposicioacuten puede ser de un solo metal de capas de diferentes metales o de una aleacioacuten
(por ejemplo latoacuten) Los metales maacutes utilizados para electrodepoacutesito son en orden de importancia
zinc niacutequel estantildeo y cadmio [22] Tambieacuten es usual recubrir con oro plata y platino En el caso
de aleaciones es comuacuten la aplicacioacuten de Babbitts (aleaciones Pb-Sn) Es conveniente mencionar
que la mayoriacutea de los metales se pueden depositar por eacuteste procedimiento
20
En teacuterminos simples este proceso consiste en la inmersioacuten de la parte a recubrir en un
electrolito que contenga iones del metal a depositar para asiacute proceder al paso de una corriente
directa que permita el depoacutesito en la pieza (caacutetodo) donde los iones son repuestos por la accioacuten de
la propia corriente sobre el aacutenodo
Pero iquestcoacutemo sucede realmente el fenoacutemeno de la electrodeposicioacuten A continuacioacuten se
daraacute una explicacioacuten maacutes detallada sin embargo solo las reacciones en el caacutetodo seraacuten presentadas
ya que en general las reacciones en un aacutenodo soluble seraacuten las inversas de aquellas presentes en
el caacutetodo
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre
Suponga una solucioacuten de una sal metaacutelica tal como el sulfato de cobre (Figura 111) la sal
se disocia considerablemente formando cationes cargados positivamente y aniones cargados
negativamente como ya se ha mencionado anteriormente El agua presente se disocia un poco para
formar iones hidroacutegeno e hidroxilo Todo aacutecido sulfuacuterico presente se disocia tambieacuten en iones
hidroacutegeno y en iones ya sea HSO4- o ya sea SO4
-2 La mayor parte de estos iones estaacuten hidratados
o sea que se encuentran combinados con una o maacutes moleacuteculas de agua
Cuando se aplica un potencial a dos electrodos en una solucioacuten asiacute los cationes cargados
positivamente emigran hacia el caacutetodo y los aniones negativos se mueven hacia el aacutenodo En una
solucioacuten acidificada la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es relativamente alta y la de los iones
hidroxilo es muy baja En virtud de que los iones hidroacutegeno se mueven maacutes raacutepidamente que los
iones cobre la mayor parte de la corriente es llevada hacia el caacutetodo por los iones hidroacutegeno Sin
embargo es maacutes faacutecil descargar los iones cobre asiacute que praacutecticamente toda la corriente que se usa
en el caacutetodo es para depositar cobre
21
Es difiacutecil representar el proceso implicado en el depoacutesito real de un metal sobre el sustrato
El caacutetodo se encuentra cargado negativamente o sea tiene una concentracioacuten de electrones
relativamente alta los cuales siempre aprovechan la oportunidad de combinarse con iones cargados
positivamente para asiacute formar los aacutetomos metaacutelicos
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel
El niacutequel (Ni) es un elemento quiacutemico de nuacutemero atoacutemico 28 situado en el grupo 10 de la tabla
perioacutedica de los elementos Es un metal blanco plateado duro maleable y duacutectil que puede
presentar un intenso brillo
Como elemento aleante proporciona resistencia tenacidad y proteccioacuten contra la corrosioacuten
El uso principal del niacutequel como metal es en la electrodeposicioacuten de piezas ya que funge como
protector corrosivo y de desgaste ante otros materiales que suelen ser maacutes susceptibles
ambientalmente tal como el hierro o el acero ademaacutes de embellecer la superficie El niacutequel es un
metal muy poco activo y bajo casi todas las condiciones tiende a resistir manchas y oxidacioacuten [23]
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel
Normalmente los galvanizados de niacutequel se hacen a partir de soluciones aacutecidas variando en un
rango de pH de 15 a 60 Una excepcioacuten es el uso de un bantildeo alcalino amoniacal de niacutequel con un
pH cerca de 9 [22]
A pesar de las muchas foacutermulas de bantildeos de niacutequel casi todas ellas contienen tres componentes
esenciales
Sulfato de niacutequel Constituye la principal fuente de iones niacutequel ademaacutes de controlar los
liacutemites admisibles de densidad de corriente
Cloruro de niacutequel Suministra los iones cloruros necesarios para asegurar la corrosioacuten de
los aacutenodos de niacutequel Tambieacuten es una fuente secundaria de iones niacutequel
Aacutecido boacuterico Actuacutea como agente tampoacuten y para conservar la adhesioacuten del depoacutesito de
niacutequel
A continuacioacuten se enlistan las teacutecnicas principales que se utilizan en los depoacutesitos de niacutequel
[22] Cabe mencionar que las concentraciones exactas y las condiciones de operacioacuten pueden
modificarse pero los valores que se dan pueden servir de guiacutea
22
1 Niacutequel a bantildeo friacuteo diluido
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 09 120 16
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Fluoruro de amonio NH4F 057 65 87
2 Bantildeo caliente Tipo Watts
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 04 45 6
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
pH para operacioacuten a un alto pH 45-55 a un bajo pH 15-30
Temperatura 43deg C (110 degF)
Densidad de corriente 2-7 ampdm2 (20-65 ampft2)
3 Bantildeo de alto sulfato
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 05 70 9
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Sulfato de sodio Na2SO4 10 160 22
Aacutecido boacuterico H3BO3 025 M 15 2
pH 55
Temperatura 20-30 degC (68-86 degF)
Densidad de corriente 15-30 ampdm2 (14-28 ampft2)
4 Bantildeo brillante de niacutequel-cobalto
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
23
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 038 45 6
Sulfato de cobalto CoSO4 7H2O 011 15 2
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
Sulfato de amonio (NH4)2SO4 004 25 03
Formato de niacutequel Ni(COOH)2 067 50 67
Formaldehiacutedo HCHO (40) 25 03
pH 45
Temperatura 55 degC (131 degF)
Densidad de corriente 3 ampdm2 (28 ampft2)
1522 Condiciones de operacioacuten
El caraacutecter del depoacutesito depende de varios factores incluyendo la temperatura la densidad de
corriente el pH la distancia entre los electrodos y la agitacioacuten los cuales se ajustan para producir
recubrimientos gruesos o delgados mates o brillantes suaves o duros duacutectiles o fraacutegiles [22] Cabe
mencionar que los valores oacuteptimos para cada factor variacutean de acuerdo con el tipo del bantildeo por lo
que no es posible dar cifras determinadas En su lugar se indicaraacuten los efectos sobre el caraacutecter de
los depoacutesitos obtenidos
pH La eleccioacuten de pH es regida por el tipo de bantildeo y las propiedades que se desean en el
depoacutesito En general en bantildeos de niacutequel opaco un aumento en el pH especialmente arriba de 50
produce depoacutesitos maacutes duros probablemente como resultado de mayor precipitacioacuten
Reciacuteprocamente los depoacutesitos de bajo pH seraacuten probablemente suaves
Temperatura La ventaja de aplicar altas temperaturas depende de varios factores
incluyendo (1) maacutes elevada solubilidad del niacutequel u otras sales (2) mayor conductividad (3)
reducida polarizacioacuten en ambos electrodos y (4) aumento de eficiencia en el aacutenodo y caacutetodo
Aunque de igual manera se pueden presentar ciertas desventajas (1) aumento de la tendencia a la
precipitacioacuten de impurezas (2) la propensioacuten a coagular agentes abrillantadores (3) vaporizacioacuten
excesiva (4) produccioacuten de depoacutesitos pasivos y (5) menor potencia de depoacutesito
Densidad de corriente La densidad de corriente es dependiente de los dos factores
anteriores A temperatura ambiente especialmente en bantildeos diluidos se emplean densidades de
24
corriente de 5 a 20 Aft2 (05 a 2 Adm2) En bantildeos maacutes fuertes y calientes se pueden usar
densidades de corriente hasta de 60 Aft2 (6 Adm2)
Agitacioacuten El efecto de la agitacioacuten equivale a un aumento en concentracioacuten de niacutequel y a
una disminucioacuten de pH lo que permite densidades de corriente maacutes altas Una desventaja de la
agitacioacuten raacutepida en los bantildeos de niacutequel es que con el movimiento suben a la superficie las partiacuteculas
suspendidas lo que trae consigo un depoacutesito aacutespero
Distancia entre electrodos La elaboracioacuten de recubrimientos con espesor uniforme
depende tambieacuten de la propia disposicioacuten y espacio adecuado de las piezas de trabajo aacutenodo y
caacutetodo Por lo que entre maacutes cercana esteacute la superficie a recubrir del aacutenodo mayor seraacute el espesor
del depoacutesito obtenido
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel
Las propiedades fiacutesicas del niacutequel electrodepositado son de especial intereacutes porque hay una gran
variedad de propiedades el control de las cuales de las cuales crea aplicaciones especiales del
niacutequel por ejemplo en electroformacioacuten Las siguientes propiedades son para depoacutesitos opacos de
niacutequel [22]
Dureza Esta variacutea en los diferentes depoacutesitos de niacutequel cerca de 130 a 430 HB En el bantildeo
tipo Watts se obtuvo un miacutenimo de dureza a un pH de 3 obtenieacutendose depoacutesitos maacutes duros abajo
y arriba de este liacutemite Los depoacutesitos maacutes duros se obtienen con un alto pH
Resistencia a la tensioacuten En general la resistencia a la tensioacuten es casi paralela a la dureza
y va de 56 000 a 160 000 lbplg2 (3 900 a 11 000 kgcm2)
Ductilidad La ductilidad medida por elongacioacuten es casi inversamente proporcional a la
dureza y a la resistencia a la tensioacuten
Resistividad eleacutectrica La resistividad eleacutectrica del niacutequel depositado es influenciada por el
contenido de inclusiones como el oacutexido y el cobalto Se presenta un poco en un pH 3
Composicioacuten Los depoacutesitos de niacutequel contienen oxiacutegeno e hidroacutegeno probablemente
presentes como compuestos baacutesicos del niacutequel como Ni(OH)2 El cloruro puede estar presente en
los depoacutesitos de todos los bantildeos de cloruro Estas inclusiones indudablemente tienen influencia en
la dureza y resistencia a la tensioacuten
25
1524 Niquelado en diferentes metales base
Debido a que el niacutequel es el maacutes extensamente aplicado a numerosos metales base solo algunos
ciclos empleados seraacuten considerados en esta seccioacuten [22]
Niquelado en acero El niacutequel puede ser depositado directamente sobre acero o sobre una
capa delgada o gruesa de cobre Debido a numerosas pruebas de corrosioacuten y a lo demostrado por
la experiencia se sabe que las capas de cobre ejercen menos proteccioacuten que una densidad igual de
niacutequel por lo tanto la tendencia actual es eliminar el cobre
Niquelado en hierro vaciado La dificultad de galvanizar sobre hierro vaciado estaacute
indudablemente asociada con la presencia de carbono liberado o grafito en el hierro Si eacuteste
permanece parcialmente embebido el niacutequel no se deposita tan faacutecilmente sobre el carboacuten o
carburos como en los cristales de hierro Por ello se utiliza una capa de cobre ya que mejora la
adhesioacuten del niacutequel al hierro vaciado La limpieza catoacutedica en caacuteustico fundido es algunas veces
efectiva y la saturacioacuten en aacutecido fluorhiacutedrico puede ayudar Por buena que sea la adhesioacuten del
niacutequel al hierro vaciado no es tan buena como en el acero
Niquelado en cobre y latoacuten La praacutectica maacutes comuacuten es aplicar el niacutequel directamente al
cobre o latoacuten seguido por la acostumbrada capa de cromo Ha sido demostrado concluyentemente
que las capas de cromo aplicadas directamente al latoacuten dan menos proteccioacuten contra la corrosioacuten
que cuando se aplica primero una capa de niacutequel
Niquelado en zinc y vaciados con base de zinc Se ha confirmado por muchas pruebas que
las capas adherentes de niacutequel pueden ser aplicadas directamente a troquelados de zinc usando un
alto-sulfato en bantildeo de niacutequel El principio de este bantildeo es la adicioacuten de suficiente sulfato de sodio
para reducir la actividad del ion niacutequel y aumentar la polarizacioacuten del caacutetodo De este modo se
evita que el zinc pase a la solucioacuten precipitando niacutequel oscuro Este bantildeo de alto sulfato de niacutequel
tiene una excelente conductividad y potencia de depoacutesito
Niquelado en magnesio El galvanizado de niacutequel u otros metales en magnesio o sus
aleaciones se hace difiacutecilmente por la alta actividad del magnesio y su consecuente tendencia a
depositar niacutequel u otros metales pesados por inmersioacuten Debido a la gran diferencia de potenciales
de solucioacuten del magnesio y de metales como el cobre niacutequel o cromo eacutestos pueden galvanizarse
sobre el magnesio cuya corrosioacuten se acelera raacutepidamente si hay algunos poros o discontinuidad en
26
los recubrimientos Mientas no se pueda demostrar que pueden producirse y mantenerse
recubrimientos electroliacuteticos casi impenetrables en el magnesio y sus aleaciones es de dudarse que
estos galvanizados puedan tener una aplicacioacuten industrial
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de materiales consiste en la obtencioacuten de informacioacuten acerca de un material
bajo estudio (composicioacuten estructura morfologiacutea y otras propiedades) a partir de la interaccioacuten de
una sentildeal (eleacutectrica luminosa teacutermica etc) con una porcioacuten de dicho material Por tanto toda
caracterizacioacuten de un material supone una agresioacuten es decir una perturbacioacuten del mismo El
estudio de la respuesta del material a dicha perturbacioacuten tiene la finalidad de dar a conocer las
propiedades del mismo para asiacute predecir si seraacute uacutetil o no en una determinada aplicacioacuten
Se puede asegurar que la ayuda de las nuevas teacutecnicas de caracterizacioacuten y anaacutelisis ha sido
indispensable en el disentildeo siacutentesis y procesado de estos materiales permitiendo un cuidadoso
control de sus propiedades e incluso en muchos casos con la posibilidad de fijar de antemano
alguna de sus caracteriacutesticas
161 Dureza
La dureza es una propiedad de los materiales soacutelidos y se define como la resistencia que oponen
estos materiales a ser deformados Una buena dureza significa generalmente que el material es
resistente al rayado y al desgaste [23]
1611 Ensayo de dureza Vickers
Este ensayo usa un indentador en forma de piraacutemide hecho de diamante Figura 112 (a) El ensayo
se basa en el principio de que las impresiones hechas por este indentador tienen geometriacuteas
similares independientemente de la carga aplicada En consecuencia se aplican varias cargas
dependiendo de la dureza del material a ensayar [24] la dureza Vickers se determina entonces con
la foacutermula
HV = 1854 119865
1198632
Donde F es la fuerza aplicada en kgf y D es la diagonal de la impresioacuten hecha por el
indentador en mm El ensayo Vickers puede usarse para todos los metales porque cuenta con una
de las escalas maacutes amplias entre los ensayos de dureza
Ec 16
27
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante un ensayo de dureza
162 Rugosidad
El acabado superficial de los cuerpos puede presentar errores de forma macro y micro geomeacutetricos
auacuten las superficies consideradas como ldquomuy lisasrdquo muestran cuando son analizadas a escala
sumamente fina una compleja diversidad de particularidades geomeacutetricas [25] Por lo tanto la
rugosidad es el conjunto de irregularidades en una superficie real
1621 El perfiloacutemetro
El rugosiacutemetro o perfiloacutemetro es por mucho el equipo maacutes utilizado en la industria para medir la
rugosidad de componentes comunes El principio de operacioacuten de este equipo es simple una fina
punta en contacto con la superficie a analizar realiza un barrido controlado en liacutenea recta y las
variaciones de alturas se convierten en sentildeales eleacutectricas que son debidamente registradas
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro
28
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB)
En el microscopio electroacutenico de barrido se construyen imaacutegenes aprovechando la emisioacuten de
electrones (electrones secundarios) de una muestra cuando sobre ella incide un haz enfocado de
electrones de alta energiacutea La muestra tambieacuten emite rayos X los cuales pueden ser analizados para
obtener informacioacuten sobre la composicioacuten del material [26] Cada sentildeal del MEB es captada con
un detector apropiado
Los electrones emitidos por la interaccioacuten del haz incidente y la muestra son colectados por
los correspondientes detectores para producir una sentildeal eleacutectrica la cual se utiliza para modular la
intensidad de un haz de electrones que incide en la pantalla de un tubo de rayos catoacutedicos (TRC)
de manera que mediante un barrido sincronizado del haz incidente en la superficie de una muestra
y del haz incidente en la pantalla del TRC se produce la imagen de la muestra [26]
La emisioacuten de electrones y de rayos X de la muestra se origina por las colisiones de
electrones del haz incidente con electrones de los aacutetomos del material de la probeta tal como se
puede observar en la Figura 114
Algunas colisiones son elaacutesticas de modo que algunos electrones del haz primario pueden
salir de la superficie de la muestra sin una significativa peacuterdida de energiacutea estos son los llamados
electrones reflejados Pero la mayoriacutea de las colisiones son inelaacutesticas y entre otros efectos
originan emisioacuten de electrones de baja energiacutea conocidos como electrones secundarios
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y fotones por la
interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
29
1631 Componentes baacutesicos del MEB
Cantildeoacuten de electrones que produce un haz con energiacutea entre 5 keV y 30 keV con un diaacutemetro
efectivo entre 01 microm y 10 microm
Lentes electromagneacuteticas condensadoras que reducen el diaacutemetro del haz de manera que en
la superficie de la muestra se tiene un diaacutemetro apropiado al aumento de la imagen
Apertura final la cual controla la divergencia del haz incidente en la muestra
Una lente objetivo que enfoca el haz en la superficie de la muestra
Sistema de barrido el cual permite la construccioacuten de la imagen en la pantalla del TRC por
el barrido del haz en la superficie de la muestra
Detectores de sentildeales emitidas por la muestra (Electrones secundarios electrones
reflejados rayos X etc)
Tubo de rayos catoacutedicos para presentacioacuten de la imagen
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica es una teacutecnica relativamente nueva que permite obtener
imaacutegenes de superficies a escala molecular [27] El microscopio consta esencialmente de una punta
de Si3N4 montada sobre un fleje Con esta punta se realiza un barrido sobre la superficie de la
muestra la cual se situacutea sobre un escaacutener piezoeleacutectrico El funcionamiento del microscopio se
basa en el control por un ordenador de la fuerza ejercida por la punta durante el barrido (Ver Figura
30
116) En el modo denominado de contacto la fuerza punta-muestra se mantiene constante
mediante un sistema de retroalimentacioacuten basado en los siguientes puntos
1) La variacioacuten de la fuerza punta-muestra se traduce en movimientos verticales y horizontales
del fleje que hacen variar la direccioacuten de un rayo laacuteser incidente sobre eacutel Estos cambios en
la direccioacuten del laacuteser son recogidos por un fotodetector y analizados por un ordenador
2) Los aumentos o disminuciones de fuerza son compensados por el ordenador que enviacutea una
sentildeal al piezoeleacutectrico para que acerque o aleje la muestra a la punta
3) Tanto las variaciones del haz luminoso como los movimientos controlados del
piezoeleacutectrico son convertidos por el ordenador en un mapa topograacutefico de la superficie
Figura 116 Funcionamiento de un MFA
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX)
El meacutetodo de difraccioacuten por rayos X es una herramienta poderosa para investigar la disposicioacuten
ordenada de los aacutetomos o moleacuteculas por medio de la interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica
para producir efectos de interferencia con estructuras comparables en tamantildeo a la longitud de onda
de la radiacioacuten
31
Al igual que con los tipos de radiacioacuten electromagneacutetica la interaccioacuten entre el vector
eleacutectrico de la radiacioacuten X y los electrones de la materia que atraviesa da lugar a una dispersioacuten
Cuando los rayos X son dispersados por el entorno ordenado de un cristal tienen lugar
interferencias (constructivas y destructivas) entre los rayos dispersados ya que las distancias entre
los centros de dispersioacuten son del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la radiacioacuten
La teacutecnica de difraccioacuten de rayos X aplicada al estudio de materiales permite obtener
informacioacuten importante sobre distintos aspectos de los mismos Para recubrimientos [28] eacutesta
teacutecnica es imprescindible para determinar
Tipo de estructura (FCC HCP etc)
Esfuerzos residuales
Microdeformaciones
Tamantildeo de grano
Fases presentes
Proporcioacuten relativa de las fases
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X
El fenoacutemeno de difraccioacuten es la interferencia entre las ondas que se genera cuando hay un objeto
en su trayecto Para comprender mejor esto supoacutengase dos planos reticulares 1 y 2 tal como en la
Figura 117 de un cristal con una distancia d entre ambos converge un haz de rayos X procedente
de A con un aacutengulo de incidencia θ este haz en parte se refleja sobre el primer plano hacia F y
en parte atraviesa y se refleja sobre el plano 2 hacia F3 y asiacute sucesivamente sobre los otros planos
[29]
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X
32
En el punto D se sobrepone un rayo reflejado por el primer plano reticular y el otro del
segundo cuya diferencia de camino despueacutes de la reflexioacuten es CD-ED Si tal diferencia es un
muacuteltiplo entero n de la longitud de onda λ de la radiacioacuten X los dos rayos en D estaraacuten en
concordancia de fase y sobreponieacutendose aumentaraacute su intensidad
Por el contrario si estaacuten en discordancia tenderaacuten a anularse Para que se verifique esta
condicioacuten es necesario que las magnitudes λ d θ y n satisfagan la relacioacuten de la Ley de Bragg
nλ = 2 d sen θ
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP)
La teacutecnica electroquiacutemica llamada Resistencia a la Polarizacioacuten es el resultado de la aproximacioacuten
de bajo campo a la ecuacioacuten de Butler-Volmer y por este motivo se debe aplicar solamente cuando
exista control activacional o por transferencia de carga
Los materiales que son susceptibles de ser evaluados mediante la aplicacioacuten de la RP deben
estar inmersos en electrolitos conductores es decir que la resistividad de las soluciones no sea alta
y deben encontrarse libres de peliacuteculas resistivas
1661 Procedimiento experimental
Para realizar un estudio experimental de Resistencia a la Polarizacioacuten lo mejor es acudir a la norma
ASTM G 59-91 [32] En general los pasos a seguir de acuerdo a la norma son los siguientes
Usar un puente salino que acerque el electrodo de referencia a 2 o 3 mm de la superficie
del electrodo de trabajo
Registrar el potencial de corrosioacuten despueacutes de 5 minutos
Aplicar un potencial 30 mV maacutes negativo que el potencial registrado
Un minuto despueacutes de que se aplique el potencial se inicia un barrido con direccioacuten anoacutedica
a 06 Vh (10 mVmin) registrando el potencial y la corriente continuamente
Terminar el barrido cuando se alcanza un valor de 30 mV positivo que el potencial de
corrosioacuten
Graficar la curva de polarizacioacuten
Determinar graacuteficamente la resistencia a la polarizacioacuten como la tangente a la curva en el
origen de la graacutefica
Ec 17
33
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE)
La teacutecnica de Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica es un meacutetodo electroquiacutemico
utilizado en estudios de corrosioacuten el cual se basa en el uso de una sentildeal de corriente alterna (CA)
que es aplicada a un electrodo (metal en corrosioacuten) y determinando la respuesta correspondiente
En el procedimiento experimental comuacutenmente utilizado se aplica una sentildeal sinusoidal de
voltaje y se mide su respuesta en corriente a diferentes frecuencias aunque es posible aplicar una
pequentildea cantidad de corriente y medir la respuesta del potencial El voltaje la corriente y la
frecuencia son relacionadas por la impedancia en una forma anaacuteloga a la ley de Ohm
V = IZ
Donde Z es la impedancia del circuito A diferencia de la resistencia la impedancia de un
circuito puede depender de la frecuencia aplicada
Cuando se aplica una sentildeal de CA incluso en un sistema de corrosioacuten sencillo se comporta
de manera maacutes complicada que una sola resistencia Pues existe tambieacuten una capacitancia la de la
doble capa electroquiacutemica (Cdl) que es debida a la carga de las especies existentes en la interfase
metal-electrolito y que se encuentra presente en todos los sistemas corrosivos Ademaacutes estaacute la
resistencia de la solucioacuten (Rs) para que se le permita La combinacioacuten de estos tres componentes
proporciona un circuito equivalente simple para un metal que se corroe Dicho circuito es una
combinacioacuten de elementos eleacutectricos tales como resistores y capacitores lo que da la misma
respuesta a sentildeales eleacutectricas como el metal real que se corroe [30] El circuito simple descrito
anteriormente se muestra en la Figura 118
Figura 118 Circuito equivalente simple
Los espectros de impedancia se pueden utilizar para identificar y cuantificar las
capacitancias en el sistema y para separar diferentes resistencias por ejemplo la resistencia de la
solucioacuten y la resistencia a la polarizacioacuten A altas frecuencias la resistencia de la solucioacuten se puede
cuantificar A frecuencias maacutes bajas los diferentes tipos de procesos se producen en diferentes
Ec 18
34
escalas de tiempo (en diferentes frecuencias) y puede ser posible identificar los procesos de
difusioacuten o los fenoacutemenos de adsorcioacuten y desorcioacuten [3031]
1671 Representaciones graacuteficas
Solamente existen dos maneras de representar los valores experimentales de la espectroscopia de
impedancia electroquiacutemica
1 Diagramas de Nyquist Tipo de representacioacuten maacutes comuacuten que consiste en graficar los
valores de la impedancia real frente a los de la impedancia imaginaria Estos diagramas
permiten identificar la resistencia del electrolito la resistencia a la transferencia de carga y
la resistencia a la polarizacioacuten [3031] en la mayor parte de los casos La Figura 119
muestra un ejemplo de este tipo de diagramas
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist
2 Diagramas de Bode En este tipo de representaciones se pueden obtener dos diagramas el
moacutedulo de la impedancia y el aacutengulo de fase (Figura 120) Tambieacuten en funcioacuten de la parte
real o la imaginaria pero en escala logariacutetmica Ambos graacuteficos son particularmente uacutetiles
cuando existen constantes de tiempo con valores muy proacuteximos que no se pueden distinguir
en los diagramas de Nyquist
35
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b) Moacutedulo de
impedancia
1672 Ecuacioacuten de Brug
Como bien se sabe el objetivo de los experimentos de EIS es a menudo extraer la capacitancia de
las peliacuteculas (posiblemente como una funcioacuten del potencial aplicado) y por lo tanto para obtener
informacioacuten sobre las propiedades dieleacutectricassemi-conductoras de dichas peliacuteculas Sin embargo
en diversos sistemas la estimacioacuten de la capacitancia es difiacutecil debido a que un comportamiento
de elemento de fase constante (CPE) se observa en lugar de un comportamiento capacitivo
Brug [33] propuso una foacutermula (Ec 19) que relaciona la resistencia del electrolito (Re) y
la resistencia a la transferencia de carga (Rtc) donde es posible calcular la capacitancia contenida
en el CPE
119862 = 1198761
120572[119877119890minus1 + 119877119905119888minus1]1minus120572
120572
Donde C es la capacitancia Q es el factor de Brug Re es la resistencia del electrolito Rtc
es la resistencia a la transferencia de carga y α es la pendiente de la impedancia calculada a bajas
frecuencias
Ec 19
36
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental
21 Preparacioacuten superficial de muestras
A partir de una laacutemina de acero 1018 de 150 x 1 m se cortaron 48 placas de 10 x 2 cm cada una
con una cizalla ya que se necesitaba que cada muestra fuera perfectamente paralela para el proceso
de electrodeposicioacuten
Las placas de acero presentaban una capa de oacutexido por lo que se siguioacute la norma ASTM
G1 [34] para decapar cada muestra durante 10 minutos en HCl al 50 (Ver figura 21) para
posteriormente lavarse con agua potable y asiacute pasar al lijado con granulometriacutea 180 240 320 400
y 600 Seguido de un lavado con agua destilada para eliminar residuos de material removido y
finalizando con un bantildeo de acetona para retirar cualquier resto de humedad y grasa
Figura 21 Decapado de muestras
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos
Para los electrodepoacutesitos con influencia de un campo magneacutetico se utilizaron dos imanes de
neodimio sin embargo no teniacutean sentildealizacioacuten alguna para diferenciar sus polos ni se conociacutea el
valor del campo Entonces se utilizoacute una bruacutejula para determinar el norte y sur de cada imaacuten asiacute
como se aprecia en la Figura 22
37
Figura 22 Determinacioacuten de los polos
Y el campo magneacutetico se midioacute con un gausiacutemetro Marca RFL modelo 91 (Figura 23)
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico
23 Preparacioacuten del electrolito
Para el proceso de electrodeposicioacuten se empleoacute un bantildeo Watts estaacutendar [35] cuya composicioacuten se
presenta en la Tabla 21
38
Para la deposicioacuten electroliacutetica sin campo se preparoacute un litro de solucioacuten y para la que teniacutea
influencia de campo magneacutetico se hicieron dos litros
24 Obtencioacuten de recubrimientos
Para las electrodeposiciones se utilizoacute una fuente de poder marca Good Will Instrumets modelo
GPR-3510HD En cuya terminal negativa se conectoacute el caacutetodo (acero 1018) y en la positiva el
aacutenodo (niacutequel soacutelido Figura 24) Ambos electrodos se colocaron paralelamente cara con cara
Figura 24 Rondelas de niacutequel
Los electrodepoacutesitos de niacutequel sobre acero 1018 con y sin influencia de campo magneacutetico
se llevaron a cabo a voltaje constante siendo eacuteste de 4 V midiendo la corriente resultante al
finalizar el proceso las muestras se lavaron con agua destilada y se dejaron secar al ambiente Se
realizaron seis condiciones diferentes tal como lo muestra la Tabla 22
En el caso de los electrodepoacutesitos en presencia de campo magneacutetico se utilizaron dos
imanes de Neodimio (Valor fluctuante de 15 a 34 T) los cuales se instalaron en la cuba
electroliacutetica el polo norte cerca del aacutenodo y el polo sur del caacutetodo tal como lo muestra la Figura
25
39
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con imanes de
neodimio
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos
Las muestras electrodepositadas con y sin presencia de campo magneacutetico se fijaron a una celda
de acriacutelico con un aacuterea de exposicioacuten de 133 cm2 en dicha celda se vertioacute una solucioacuten de NaCl
al 3 en peso se colocoacute una tapa y se introdujeron un electrodo de referencia de AgAgCl y un
contra-electrodo de grafito Dicha celda se conectoacute a un potenciostato marca Bio-logic modelo
SP-150 controlado mediante una computadora de escritorio con su respectivo software El
dispositivo utilizado para las pruebas se puede ver en la Figura 26a
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el electrodo de
referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo (ET)
40
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
Se utilizoacute la teacutecnica de RP en modo potenciodinaacutemico en un intervalo de plusmn 20 mVEcorr a una
velocidad de barrido de 01667 mVs haciendo la respectiva curva de polarizacioacuten mediante la
computadora Previo a esto el electrodo de trabajo se dejoacute estabilizar en el electrolito (NaCl al 3
peso) durante 30 minutos
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica
Al teacutermino de la medicioacuten de la RP el electrodo de trabajo se dejoacute a circuito abierto durante 15
minutos Posteriormente se utilizoacute la teacutecnica EIE en un intervalo de frecuencias de 50 kHz a 50
mHz a 7 puntos por deacutecada y 10 mV de perturbacioacuten
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos
Para la caracterizacioacuten superficial las placas se cortaron en una maacutequina dobladora a una medida
de 2 x 2 cm para asiacute poder ingresar a ciertos equipos Se eligioacute una muestra de cada condicioacuten
tanto con y sin influencia de campo magneacutetico
261 Dureza
Los estudios de dureza fueron obtenidos con un microduroacutemetro de Vickers marca
Mitutoyo Colocando las placas en el portamuestras del microscopio se hizo incidir el indentador
de diamante aplicando una carga de 10 kgf durante 20 s para un acero suave [36] Este
procedimiento se realizoacute 5 veces por muestra para obtener un promedio de dureza
262 Rugosidad
Se utilizoacute un rugosiacutemetro marca Mitutoyo modelo Surftest-402 Las muestras se colocaron
en una superficie plana y sobre ella se situoacute el palpador con punta coacutenica tal como lo muestra la
Figura 27 posteriormente se calibroacute dicha punta y entonces el equipo realizoacute un pequentildeo recorrido
sobre la superficie con el que determinoacute la rugosidad de cada muestra en microm
41
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido
Para esta caracterizacioacuten de las placas se utilizoacute el Microscopio Electroacutenico de Barrido de
alto-bajo vaciacuteo Jeol JSM 6610LV con un voltaje de 20 kV y una distancia de trabajo de 10 mm
Las placas se colocaron en un portamuestras (Figura 28) y se analizaron a alto vaciacuteo Las imaacutegenes
se formaron con una sentildeal de electrones secundarios a 500 1000 y 5000X
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
Se utilizoacute un Microscopio de Fuerza Atoacutemica marca Asylum Research modelo Cypher que cuenta
con una punta de silicio que tiene una constante de 2 Nm (conforme se va desgastando va
disminuyendo su valor)
Para las muestras sin influencia de campo magneacutetico se utilizoacute el modo contacto es decir
la fuerza entre la punta y la muestra son constantes En el caso de las muestras con influencia de
campo magneacutetico que mostraron una superficie menos rugosa y maacutes faacutecil de medir
topograacuteficamente se usoacute el modo no contacto por lo que la punta no tocaba la muestra sino que
42
oscilaba a una distancia de entre 1 y 10 nm Todas las imaacutegenes se obtuvieron en un aacuterea de 10 x
10 microm a una velocidad de barrido de 10 Hz escaneando 512 liacuteneas generadas por 512 puntos en
zonas especiacuteficas
265 Difraccioacuten de rayos X
Para esta caracterizacioacuten se utilizoacute un difractoacutemetro de rayos X marca Siemens modelo D5000
Las condiciones de operacioacuten fueron las siguientes velocidad de barrido de 05 s incrementos de
0035cps 35 kV y 25 mA El intervalo de aacutengulo seleccionado fue 2θ = 30 a 120deg que es el
rango donde aparecen la mayoriacutea de los picos caracteriacutesticos del niacutequel [37]
43
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten
Para una mejor comprensioacuten de los resultados eacutestos se presentan de manera comparativa en
funcioacuten del tiempo de electrodeposicioacuten con y sin campo magneacutetico analizando dichos
recubrimientos con las teacutecnicas electroquiacutemicas planteadas en el capiacutetulo de metodologiacutea
experimental tambieacuten se realizaron anaacutelisis del comportamiento de las propiedades fiacutesicas tales
como dureza rugosidad y espesor para determinar la influencia del campo magneacutetico durante la
electrodeposicioacuten de niacutequel
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos
La Figura 31b muestra las reacciones que se llevaron a cabo en el proceso de electrodeposicioacuten
Como ya se sabe en el aacutenodo se lleva a cabo la oxidacioacuten del niacutequel y en el caacutetodo la reduccioacuten
del mismo Sin embargo en el caacutetodo tambieacuten se lleva a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten del
hidroacutegeno ya que el medio usado para la electrodeposicioacuten es aacutecido (pH = 3) por ello la eficiencia
en el caacutetodo no es del 100
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni
311 Caacutelculo de masa depositada
Para conocer la masa de Ni depositada en el acero 1018 se realizaron mediciones de peso antes y
despueacutes de que las placas fueran sometidas al proceso de electrodeposicioacuten Sin embargo como el
aacuterea de electrodepoacutesito no es la misma en todas las placas se compara la masa depositada por
centiacutemetro cuadrado tal como lo muestra la Tabla 31
44
En la tabla 31 se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten de
niacutequel la masa por unidad de aacuterea aumenta Esto se cumple para ambas temperaturas (30degC y 60degC)
y ambas condiciones (sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico) sin embargo se demostraraacute
maacutes adelante que el aumento de masa no es garantiacutea de una reduccioacuten de la velocidad de corrosioacuten
(Grafico 31) Es importante sentildealar que tanto a 30degC como a 60degC la masa de niacutequel disminuye
cuando se utiliza el campo mageacutentico sin embargo a 30degC esto no se cumple debido a que hay un
aumento de masa
312 Eficiencia en corriente
Es importante mencionar que en todos los electrodepoacutesitos la corriente final era menor que la
inicial Dicha caiacuteda de corriente se debioacute a la formacioacuten de una capa de oacutexido en el aacutenodo Figura
32 lo que ocasionoacute una disminucioacuten en la entrega de cationes (Ni2+) a la solucioacuten
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido
La eficiencia en corriente se evaluoacute con la foacutermula del Anexo 1-A y se tomoacute el valor de la
corriente inicial para dicho caacutelculo Los resultados se muestran en la Tabla 32 Mientras que
Ferreira y Colnago [12] reportaron obtener eficiencias del doble para sus peliacuteculas de cobre en
45
este caso se puede notar que la presencia del campo magneacutetico provoca una disminucioacuten en el
rendimiento del sistema
La fuente de poder se debe regular para poder otorgar los 4 V que el proceso de
electrodeposicioacuten requiere y desde el momento en que se enciende el aparato empieza a mandar
corriente Por ello ciertas eficiencias sobrepasan el 100 pues el tiempo de ajuste se excedioacute maacutes
de 50 segundos
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
En la Figura 33 se observan los resultados de la resistencia a la polarizacioacuten en funcioacuten de la
temperatura y del tiempo de exposicioacuten A 60degC se observa que el campo magneacutetico provoca una
disminucioacuten de la resistencia a la polarizacioacuten para los diferentes tiempos de electrodepoacutesito
realizados lo cual se traduce en un aumento de la velocidad de corrosioacuten de acuerdo con la
ecuacioacuten de Stern y Geary (Ec 14) Este efecto de disminucioacuten de la Rp tambieacuten se observa en
los datos a 30degC con excepcioacuten del tiempo 7 minutos
46
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal
En la Tabla 33 se presentan las variaciones de icorr y Vcorr sin campo magneacutetico y en
presencia de campo magneacutetico a 30deg y 60deg en funcioacuten del tiempo de electrodepoacutesito
En la Graacutefica 31 se puede observar que a 60degC con mayor tiempo de electrodeposicioacuten de
Ni disminuye la Vcorr Sin embargo se puede notar que con la presencia del campo las velocidades
de corrosioacuten son mayores pero respetando la tendencia antes mencionada
60degC17min CM
60degC17min SC
60degC12min CM
60degC12min SC
60degC7min CM
60degC7min SC
30degC17min CM
30degC17min SC
30degC12min CM
30degC12min SC
30degC7min CM
30degC7min SC
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Rp (Ohm cm2)
47
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de electrodeposicioacuten
La tabla 34 muestra los valores de Ecorr para ambas temperaturas (30degC y 60degC) y en las
dos condiciones ensayadas (sin campo y con campo) Sin campo magneacutetico y con excepcioacuten de
30degC y 17 min se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten el Ecorr se
desplaza hacia valores menos negativos al mismo tiempo que la Vcorr disminuye (Tabla 33) De
acuerdo con la Teoriacutea de Potencial Mixto explicada por Evans el sistema se encuentra bajo un
control tipo anoacutedico es decir que la reaccioacuten de oxidacioacuten de niacutequel se desplaza para dar un Ecorr
menos negativo al mismo tiempo que reduce la Vcorr
1198731198942+ + 2119890minus harr 119873119894deg
Sin embargo a 30degC y 17 min el sistema se encuentra bajo control catoacutedico debido a que
persiste la disminucioacuten de Vcorr ahora con un cambio en el potencial hacia valores maacutes negativos
Al comparar los valores de Ecorr sin campo magneacutetico con los de campo magneacutetico se observa que
para la temperatura 60degC los valores de Ecorr se desplazan hacia valores maacutes electronegativos
Como se discutioacute anteriormente esto se debe a un control cineacutetico tipo anoacutedico Cuando se
considera la temperatura de 30degC se observa un desplazamiento hacia valores menos negativos es
7min 12min 17min
000
002
004
006
008
010
Vco
rr (
mm
an
o)
Tiempo de electrodeposicion
60degC Sin campo
60degC Con campo
30degC Sin campo
30degC Con campo
48
decir la cineacutetica estaacute controlada por la reaccioacuten catoacutedica Diversos trabajos reportan este mismo
efecto en donde el campo magneacutetico tiene un efecto sobre la reaccioacuten de reduccioacuten de oxiacutegeno
1198742 + 21198672119874 + 4119890minus harr 4119874119867minus
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica
Como se mencionoacute previamente en el apartado 167 referente a la teacutecnica de impedancia
mediante esta teacutecnica es posible evidenciar y cuantificar el efecto que tiene la capacitancia de una
interface electroquiacutemica y asiacute proporcionar informacioacuten complementaria al estudio de corrosioacuten
Las graacuteficas 32 33 y 34 correspondientes a los diagramas de Nyquist obtenidos en los
tres diferentes tiempos de electrodeposicioacuten a 60degC con y sin influencia de campo magneacutetico
Revelan en los tres casos que el campo magneacutetico disminuye la resistencia a la transferencia de
carga (Rtc) es decir el proceso de corrosioacuten se ve favorecido tal como se pudo mostrar en los
resultados de resistencia a la polarizacioacuten De igual manera se observa una disminucioacuten en la
resistencia del electrolito (Rs) esto debido a la fuerza convectiva (visible) que ejerce el campo
magneacutetico en el electrolito el cual provoca una mejor difusioacuten de los iones dicha informacioacuten es
consistente a lo reportado por Calivar e Ispas [67]
49
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
500
1000
1500
2000 50 mHz
60degC 7min SC
60degC 7min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
1000
2000
3000
50 mHz
60degC 12min SC
60degC 12min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
50 kHz
50 mHz
Re(Z) (Ohm cm2)
50
Graacutefica 34 EIE de 60degC 17min
34 Dureza Rugosidad y Espesor
La Tabla 35 muestra que la aplicacioacuten de un campo magneacutetico durante el proceso de
electrodeposicioacuten de niacutequel provoca que la dureza disminuya lo que significa que el recubrimiento
es menos susceptible a fracturarse este resultado es similar a lo reportado por Zielinski [11] y la
disminucioacuten de fracturas en sus peliacuteculas de Co-W ante la presencia de un campo magneacutetico
Tambieacuten es importante sentildealar que la rugosidad de cada niquelado presentoacute un
empobrecimiento lo que significa que el campo magneacutetico ayuda a obtener recubrimientos maacutes
uniformes
0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000
0
3000
6000
9000
12000
15000
18000 50 mHz
60degC 17min SC
60degC 17min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
51
Los espesores fueron calculados mediante la foacutermula que aparece en el Anexo 1-B y se
puede notar que eacuteste decrece ante la presencia del campo magneacutetico Esto se puede constatar de
igual forma a partir de los datos de impedancia los cuales permitieron calcular los valores de
capacitancia a partir de la ecuacioacuten de Brug (Ec 19) cuyos resultados se muestran en la Tabla
36
Como se puede observar los valores de capacitancia con el campo magneacutetico son mayores
en un orden de magnitud que aquellos donde no existe el campo permitiendo confirmar que el
espesor maacutes delgado se encuentra con la influencia del campo
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
A continuacioacuten se muestran las imaacutegenes topograacuteficas obtenidas en el MFA Con lo cual se puede
corroborar que ocurre una disminucioacuten en la rugosidad de las peliacuteculas de niacutequel con presencia de
campo magneacutetico
52
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC-7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC-12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC-17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
36 Difraccioacuten de Rayos X
Los patrones de difraccioacuten de los recubrimientos de Ni en acero 1018 Figura 37 se caracterizan
por la presencia de los planos de la estructura cuacutebica centrada en las caras de acuerdo al PDF 03-
065-4899 [32] Esta fase cristalina estuvo presente en todos los recubrimientos
De acuerdo con lo reportado por Hu [33] la energiacutea de activacioacuten para la evolucioacuten de
hidroacutegeno es mayor en el plano (111) que en el plano (200) del Ni Dicho de otra manera en el
53
plano (200) habraacute maacutes produccioacuten de hidroacutegeno gaseoso durante el proceso de electrodeposicioacuten
de niacutequel lo que trae consigo posiblemente recubrimientos porosos
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia de campo
magneacutetico
Para los depoacutesitos en presencia de campo magneacutetico a 7 y 12min se observa una orientacioacuten
preferencial en el plano (200) sin embargo el pico a 7min es mucho mayor que el de 12
comparando estos resultados con las pruebas electroquiacutemicas y de acuerdo a los reportado por Hu
[33] esto nos lleva a suponer que en este caso el recubrimiento es maacutes poroso y delgado de acuerdo
a las medidas de espesor (Tabla 35) Para el caso de 17min con campo magneacutetico se tiene una
orientacioacuten preferencial en el plano (111) esta muestra tiene un mejor comportamiento
electroquiacutemico de acuerdo a la Figura 33 ademaacutes de acuerdo a lo reportado por Hu [33] nos lleva
a deducir que este recubrimiento es el menos poroso de los tres con campo magneacutetico Lo anterior
explica por queacute la velocidad de corrosioacuten es mayor a 7min y va disminuyendo conforme aumenta
el tiempo de electrodeposicioacuten Y tambieacuten revela la causa por la que el potencial de corrosioacuten es
maacutes negativo en presencia del campo magneacutetico La porosidad tambieacuten nos explica la razoacuten por la
cual la dureza de los recubrimientos hechos en presencia del campo magneacutetico disminuye con
respecto a aquellos realizados en ausencia del mismo
40 45 50 55 600
4000
8000
12000
16000
20000
17min SC
17min CM
12 min CM
12 min SC
7min CM
Inte
nsid
ad
(U
A)
2 (grados)
60degC-7min SC
60degC-12min SC
60degC-17min SC
60degC-7min CM
60degC-12min CM
60degC-17min CM
Ni
7min SC
(111) (200)
54
La existencia de los poros en el recubrimiento propicia un par galvaacutenico Figura 38 entre
el niquelado electroliacutetico y el acero 1018 ya que este uacuteltimo es maacutes electronegativo por
consiguiente maacutes propenso a la corrosioacuten Tambieacuten estaacute el efecto de las diferencias de aacutereas entre
aacutenodo (acero) y caacutetodo (niquelado) siendo en este caso el caacutetodo quien posee mayor aacuterea de
exposicioacuten al ambiente es el aacutenodo quien se corroeraacute maacutes faacutecil y raacutepidamente
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni
37 Microscopia Electroacutenica de Barrido
Las Figuras 39 310 y 311 muestran las imaacutegenes obtenidas en el MEB de los recubrimientos de
Ni a 60degC 7min 12min y 17min respectivamente Se aprecia una morfologiacutea maacutes uniforme con la
presencia de campo magneacutetico y las aglomeraciones de partiacuteculas metaacutelicas son mucho maacutes
grandes que sus homoacutelogos sin influencia del campo
55
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y sin influencia
de campo magneacutetico
56
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min con y sin
influencia de campo magneacutetico
57
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min con y sin
influencia de campo magneacutetico
58
Conclusiones
A partir de los resultados experimentales obtenidos en el presente trabajo se puede concluir lo
siguiente
La eficiencia de electrodepositacioacuten es funcioacuten de la pureza del aacutenodo y de la corriente
aprovechada por la reaccioacuten de reduccioacuten de hidroacutegeno
El aumento en el tiempo de electrodepositacioacuten conduce a un aumento en la masa de niacutequel
electrodepositada esto es vaacutelido para la condicioacuten sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico
sin embargo esto no garantiza la disminucioacuten de Vcorr
Sin campo magneacutetico los resultados obtenidos a 30degC y 60degC muestran que la Vcorr
disminuye conforme el tiempo de electrodepoacutesito de niacutequel aumenta Tambieacuten en ausencia del
campo las Vcorr obtenidas a 30degC son menores comparadas con las Vcorr a 60degC a excepcioacuten de
17 min
Sin campo magneacutetico se observa que la degradacioacuten del niquelado estaacute controlada por una
cineacutetica anoacutedica lo cual es vaacutelido para 30degC y para 60degC con excepcioacuten de 30degC y 17 min donde
la cineacutetica que controla es catoacutedica Asimismo a 30degC con campo magneacutetico se observa que la
cineacutetica que controla el sistema es la catoacutedica lo cual sugiere que la reaccioacuten de reduccioacuten de
oxiacutegeno ser manipulada por el campo magneacutetico
En presencia del campo magneacutetico se encontroacute que la resistencia de la solucioacuten disminuyoacute
tanto a 30degC como a 60degC debido a una fuerza adicional convectiva que provoca el campo
magneacutetico
La Vcorr es dependiente de la cantidad de masa depositada pero tambieacuten del ordenamiento
cristalino que los aacutetomos de niacutequel adquieren al momento del electrodepoacutesito
En presencia del campo magneacutetico las micrografiacuteas MEB revelan superficies con menos
rugosidad respecto a las muestras sin campo magneacutetico
A 60degC hay poca o nula contribucioacuten del campo magneacutetico mientras que a 30degC si hay una
contribucioacuten del campo pero es negativa respecto a la Vcorr
59
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62
Anexo 1 Caacutelculos
1-A Caacutelculo de eficiencia
En la praacutectica la corriente suministrada a un sistema no es aprovechada al 100 pues hay
peacuterdidas de corriente por diversos motivos entre otros
a) Desviacioacuten de corriente por caminos secundarios
b) Impurezas de las soluciones (las cuales dan reacciones secundarias)
c) Resistencia eleacutectrica propia del bantildeo electroliacutetico
d) Peacuterdidas por transformacioacuten de energiacutea eleacutectrica a energiacutea caloriacutefica
e) Fenoacutemenos de polarizacioacuten
Entonces se puede decir que
Eficiencia en corriente = 119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119905119890oacute119903119894119888119886
119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119904119906119898119894119899119894119904119905119903119886119889119886 119903119890119886119897x100
1-B Caacutelculo de Espesor
El meacutetodo maacutes satisfactorio para medir el espesor promedio de una capa es disolverla y determinar
el peso de la misma a partir de una muestra cuya aacuterea se conozca en el caso de este estudio se
pesaron las placas antes y despueacutes del electrodepoacutesito para determinar la masa depositada El
espesor se calcula asiacute a partir del peso y del aacuterea y de la densidad o peso especiacutefico del depoacutesito
utilizando la foacutermula
T (espesor) = 119862119882 (119901119890119904119900)
119860(aacute119903119890119886)times119863(119901119890119904119900 119890119904119901119890119888iacute119891119894119888119900)
En donde C es una constante que depende simplemente de las unidades utilizadas En
unidades meacutetricas la ecuacioacuten se transforma en
T(mm) = 10119882(119892119903)
119860(1198881198982)times119863
63
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 7min
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 12min
-0000006 -0000003 0000000 0000003
-040
-038
-036
-034
-032
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
-0000004 -0000002 0000000 0000002
-035
-034
-033
-032
-031
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
64
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 17min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 7min
-00000006 -00000003 00000000 00000003 00000006
-026
-024
-022
-020
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
-00000027 -00000018 -00000009 00000000 00000009 00000018
-028
-024
-020
-016
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
65
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 12min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 17min
-0000004 -0000002 0000000 0000002 0000004
-038
-036
-034
-032
-030
-028
-026
-024
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
-0000006 -0000003 0000000 0000003 0000006 0000009
-032
-031
-030
-029
-028
-027
-026
-025
-024
-023
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
xii
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de
electrodeposicioacuten
47
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min 49
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min 49
Graacutefica 34 EIE de 60degC a 17min 50
xiii
Nomenclatura
Ni ndash Niacutequel
T ndash Tesla
M ndash Metal
A ndash Ampere
Ec ndash Ecuacioacuten
ER ndash Electrodo de Referencia
ET ndash Electrodo de Trabajo
EA ndash Electrodo Auxiliar
Ecorr ndash Potencial de corrosioacuten
Vcorr ndash Velocidad de corrosioacuten
Rp ndash Resistencia a la polarizacioacuten
Rtc ndash Resistencia a la transferencia de carga
Rs ndash Resistencia del electrolito o de la solucioacuten
EIE ndash Espectroscopiacutea de impedancia electroquiacutemica
MFA ndash Microscopiacutea de fuerza atoacutemica
DRX ndash Difraccioacuten de rayos X
MEB ndash Microscopiacutea electroacutenica de barrido
SC ndash Sin campo magneacutetico
CM ndash Con campo magneacutetico
HV ndash Dureza Vickers
xiv
Resumen
En este estudio se obtuvieron recubrimientos de niacutequel con y sin presencia de campo magneacutetico a
60degC a 7 12 y 17 min sobre sustratos de acero al carbono AISI 1018 a partir de una solucioacuten tipo
Watts claacutesica Las propiedades de los recubrimientos se estudiaron mediante DRX MEB MFA
duroacutemetro y rugosiacutemetro tambieacuten se estudioacute el comportamiento electroquiacutemico de las peliacuteculas
mediante RP y EIE y ademaacutes se realizaron caacutelculos de capacitancia icorr velocidad de corrosioacuten
y espesor En general el campo magneacutetico tiene una influencia negativa en las propiedades fiacutesicas
y quiacutemicas de un electrodeposito de Ni en acero AISI 1018 Los detalles son discutidos en esta
investigacioacuten
Abstract
In this study nickel coatings were obtained with and without the presence of magnetic field at 60degC
for 7 12 and 17 min on substrates of AISI 1018 carbon steel from a classical type Watts solution
The properties of the coatings were studied by XRD SEM AFM hardness tester and roughness
tester the electrochemical behavior of the films was also studied through RP and EIE and also
capacitance calculations icorr corrosion rate and thickness were made In general the magnetic
field has a negative influence on the physical and chemical properties of an electrodeposited Ni
steel AISI 1018 The details are discussed in this research
1
Introduccioacuten
En los Reactores de agua en ebullicioacuten (BWR por sus siglas en ingleacutes) la radioacutelisis del agua
produce un medio altamente oxidante [1] que genera que los materiales estructurales presenten un
elevado potencial electroquiacutemico de corrosioacuten (PEC) cuando estaacuten en contacto con el agua en el
BWR Este PEC incrementa la propensioacuten a experimentar agrietamiento por corrosioacuten bajo
esfuerzos (SCC) [2] y agrietamiento por corrosioacuten intergranular bajo esfuerzos (IGSCC) [3] en los
materiales de los componentes internos tales como acero inoxidable aleaciones base niacutequel y las
zonas afectadas por el calor (HAZ) propias de un proceso de soldadura Ademaacutes en las condiciones
de alta temperatura del reactor BWR se forma una capa de oacutexido que puede ser hematita en
condiciones de alto oxiacutegeno o magnetita en condiciones de bajo oxiacutegeno Este segundo oacutexido es
un imaacuten por naturaleza por lo que este estudio contribuiraacute ademaacutes a discernir y en dado caso a
explicar si la presencia de un oacutexido magneacutetico o de otro que no lo sea tiene una influencia en la
deposicioacuten de recubrimientos alternos para mitigar el agrietamiento por corrosioacuten bajo esfuerzos
(SCC por sus siglas en ingleacutes) de los materiales de componentes internos de reactores BWR
El electrodepoacutesito de niacutequel sobre una superficie metaacutelica se hace con el fin de proteger las
piezas de la corrosioacuten pues posee buenas propiedades anticorrosivas y buena resistencia al
desgaste Los recubrimientos de niacutequel se utilizan en numerosos sectores industriales electroacutenica
componentes eleacutectricos petroquiacutemica automocioacuten etc [4] Por ello el presente trabajo muestra la
utilizacioacuten de un campo magneacutetico de 15 a 34 T (Valor fluctuante) para la obtencioacuten de
recubrimientos de Ni en acero un acero bajo carbono especiacuteficamente el AISI 1018 Las
propiedades de dichos recubrimientos se evaluaron mediante teacutecnicas electroquiacutemicas como Rp y
EIE para determinar las velocidades de corrosioacuten de las peliacuteculas De igual manera se estudiaron
los recubrimientos mediante DRX MEB y MFA Para finalmente establecer la influencia positiva
o negativa de dicho campo magneacutetico en los procesos de deposicioacuten electroliacutetica
2
Justificacioacuten
Para mitigar el SCC de los componentes internos de los BWR [5] en la actualidad se antildeaden sales
como precursores metaacutelicos por ejemplo Na2Pt(OH)6 que se transforman en partiacuteculas metaacutelicas
al entrar en contacto con el acero debido a la diferencia de potencial entre Fe y Pt [6] adhirieacutendose
al acero estructural por medio de procesos de precipitacioacuten Estas partiacuteculas catalizan las reacciones
de recombinacioacuten de especies oxidantes disminuyendo los procesos de corrosioacuten del acero sin
embargo los catalizadores basados en Pt tienen el inconveniente de costo elevado [7]
En este sentido una posible opcioacuten es la electrodeposicioacuten de un metal sobre la superficie
que se interesa proteger pero la efectividad de estos depoacutesitos depende de la preparacioacuten de la
superficie y de aspectos teacutecnicos ya estandarizados en normativas por ejemplo la Norma ISO
1458-1974 ldquoMetallic coatingsrdquo Si bien son de los mejores meacutetodos para proteger un metal auacuten
presentan diversas anomaliacuteas que generan superficies porosas falta de cohesioacuten y peliacuteculas
amorfas lo que conlleva a altos costos de produccioacuten debido a que se debe repetir el proceso y
contaminacioacuten ambiental a causa de los reactivos quiacutemicos usados para limpiar nuevamente la
superficie a recubrir
Debido a lo anterior este estudio tiene por objeto determinar si el campo magneacutetico influye
o no en las propiedades de adherencia rugosidad y eficiencia de un electrodepoacutesito de niacutequel
Siendo los mayores beneficiarios con este trabajo investigativo el ambiente la industria
galvanoplaacutestica y la comunidad electroquiacutemica
3
Objetivo General
Evaluar el efecto de un campo magneacutetico sobre las propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero bajo carbono especiacuteficamente en un acero AISI 1018
Objetivos Especiacuteficos
1- Elaborar electrodepoacutesitos de niacutequel en acero 1018 con y sin presencia de campo magneacutetico
2- Evaluar los electrodepoacutesitos mediante corriente directa y alterna
3- Analizar los electrodepoacutesitos por medio de pruebas fiacutesicas y quiacutemicas
4- Determinar el efecto de un campo magneacutetico en un electrodepoacutesito de niacutequel
4
Hipoacutetesis
El campo magneacutetico provoca una orientacioacuten en los iones yo moleacuteculas del electrolito destinado
a la electrodeposicioacuten con ello se modifican ciertas propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero 1018
5
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico
11 Antecedentes
El efecto de un campo magneacutetico sobre la orientacioacuten de las moleacuteculas durante un proceso de
formacioacuten de un producto ha sido muy poco estudiado En la industria se encuentran algunos casos
sin que haya reportes formales A continuacioacuten se discutiraacuten algunos de ellos
El ldquoFuel Energy Saverrdquo (Figura 11) es un producto de la compantildeiacutea mexicana ldquoEnergy
Saverrdquo se trata de un inductor de resonancia magneacutetica de alta potencia que genera frecuencias
especiacuteficas la cual fractura las cadenas de hidrocarburos alineando y haciendo todas las moleacuteculas
maacutes accesibles al oxiacutegeno lo que se traduce en una mejor combustioacuten con el consiguiente ahorro
de combustible y reduccioacuten de contaminacioacuten [8] Es aplicable para cualquier tipo de combustible
(gas natural gas LP dieacutesel combustoacuteleo gasoacuteleo) y puede ser usado en todo equipo de iacutendole
industrial (hornos calderas calentadores secadores estufas)
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver
Algunas empresas del ramo automotriz (por ejemplo Mercedes Benz) estaacuten empleando el
principio del FES para que por medio un campo magneacutetico se orienten las moleacuteculas del
combustible y de oxiacutegeno antes de que eacutestas sean consumidas La explicacioacuten a este fenoacutemeno fue
dada por Kita amp Kulish [9] que consiste en lo siguiente el combustible se consumiraacute a medida que
haya oxiacutegeno disponible Si en lugar de que el oxiacutegeno se alimente de manera ldquodesordenadardquo eacuteste
pudiera ser orientado antes de entrar a la caacutemara de combustioacuten se lograriacutea un mejor consumo de
combustible-oxiacutegeno lo cual se traduce en mayor potencia en el motor y un mejor
aprovechamiento del combustible es decir habriacutea menor cantidad de contaminantes (NOx y CO2)
en el escape
6
Otro ejemplo del uso de campos magneacuteticos se puede encontrar en la formacioacuten de
calcaacutereos en intercambiadores de calor La industria que sufre de formacioacuten de dichos productos
tambieacuten ha encontrado beneficios con el uso de un campo magneacutetico colocado en el depoacutesito de
agua y se observa que los productos calcaacutereos se desvanecen tal como se aprecia en la Figura 12
La explicacioacuten a este efecto se atribuye nuevamente a la reorientacioacuten de las moleacuteculas dando como
consecuencia una estructura amorfa en lugar de una cristalina caracteriacutestica de los calcaacutereos [10]
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes (izq)
Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico aplicado
Por el lado de las investigaciones cientiacuteficas se tiene el anaacutelisis del efecto de un campo
magneacutetico de 12 T en la electrodeposicioacuten y estructura de las aleaciones cobalto-tungsteno con
ello Zielinski [11] pudo establecer que la aplicacioacuten del campo magneacutetico cambioacute la composicioacuten
quiacutemica y la morfologiacutea de las aleaciones Co-W
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas (izq) Con
campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
7
De la misma manera Ferreira y Colnago [12] estudiaron la influencia del campo magneacutetico
de una resonancia magneacutetica nuclear (RMN) durante la reaccioacuten electroliacutetica del cobre Sus
resultados fueron exitosos pues la reaccioacuten en presencia de un campo magneacutetico de 023 T tuvo
un rendimiento del doble que la de la reaccioacuten en ausencia de dicho campo
Finalmente pero no menos importantes Calivar [13] con su creacioacuten de modelos de
conveccioacuten magneacutetica en electrodeposicioacuten de peliacuteculas delgadas de cobre y tambieacuten Ispas [14]
con su estudio del efecto de un campo magneacutetico de 05 T en la electrodeposicioacuten de la aleacioacuten
Ni-Fe Ambos llegaron a la misma conclusioacuten un campo magneacutetico provoca una conveccioacuten en el
fluido el cual provoca una contribucioacuten adicional de masa-transporte
12 Generalidades
121 El campo magneacutetico
Se trata de un campo que ejerce fuerzas (denominadas magneacuteticas) sobre los materiales Es una
magnitud vectorial pero no produce ninguacuten efecto sobre cargas en reposo (como siacute lo hace el
campo eleacutectrico doacutende las acelera a traveacutes de la fuerza eleacutectrica) Sin embargo el campo magneacutetico
siacute tiene influencia sobre cargas eleacutectricas en movimiento [15]
Por ejemplo en el estado soacutelido si una carga en movimiento atraviesa un campo magneacutetico
la misma sufre la accioacuten de una fuerza magneacutetica que no modifica la velocidad pero siacute la
trayectoria Cabe mencionar que en el estado liacutequido o en el estado gaseoso el efecto del campo
magneacutetico no estaacute bien definido
Figura 14 El campo magneacutetico
8
La unidad de campo magneacutetico en el Sistema Internacional es el tesla (T) Un tesla se define
como el campo magneacutetico que ejerce una fuerza de 1 N (newton) sobre una carga de 1 C (coulomb)
que se mueve a velocidad de 1 ms dentro del campo
122 Definicioacuten de corrosioacuten
Se denomina corrosioacuten al ataque destructivo de un material generalmente metaacutelico por reaccioacuten
quiacutemica o electroquiacutemica con su medio ambiente (atmoacutesfera suelo agua etc)
La reaccioacuten baacutesica de corrosioacuten es
M Mn+ + ne-
De acuerdo con ello tambieacuten es posible definir la corrosioacuten desde un punto de vista maacutes
electroquiacutemico como el traacutensito de un metal de su forma elemental a su forma ioacutenica o combinada
con una respectiva cesioacuten de electrones [16] Dicho de otra manera el metal a traveacutes de la
corrosioacuten retorna a su forma combinada formando oacutexidos sulfuros hidroacutexidos etc Pues asiacute es
como los metales se encuentran habitualmente en la naturaleza por tratarse de formas
termodinaacutemicamente maacutes estables
El proceso de corrosioacuten es natural y espontaacuteneo y cuanto mayor es la energiacutea gastada en la
obtencioacuten del metal a partir del mineral tanto maacutes es la tendencia del metal a regresar a su forma
basal es decir mucho maacutes favorecida termodinaacutemicamente estaacute la reaccioacuten de oxidacioacuten
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten
Tradicionalmente se establecen dos procesos baacutesicos de ataques corrosivos atendiendo al medio
en el que se producen
Corrosioacuten seca
Corrosioacuten huacutemeda
1231 Corrosioacuten seca
Tiene lugar cuando el material se encuentra sometido a la accioacuten de gases principalmente a
temperaturas elevadas por lo que no se tiene un electrolito condensado Este tipo de corrosioacuten es
la que se produce en calderas sobrecalentadores reactores etc en la parte que estaacute en contacto
con los productos de combustioacuten
9
En la corrosioacuten seca los oacutexidos que se forman son de caraacutecter ioacutenico (cationes metaacutelicos y
aniones de oacutexido regularmente distribuidos) La estructura cristalina formada presenta
normalmente defectos reticulares (deficiencias ioacutenicas) a traveacutes de los cuales se produce la
difusioacuten de iones
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca
1232 Corrosioacuten huacutemeda
Tiene lugar cuando el material se encuentra en medios acuosos (Figura 16) Se produce
normalmente a temperatura ambiente o no muy elevada Es la maacutes extendida por cuanto afecta a
un sinfiacuten de elementos en los que el material es usado en tanques tuberiacuteas intercambiadores
precalentadores carcasas estructuras buques etc
Todos los procesos de corrosioacuten involucran transferencia de carga (iones y electrones) en
particular en el caso de corrosioacuten huacutemeda eacutesta se da a traveacutes de soluciones acuosas (electrolitos)
las cuales son eleacutectricamente conductoras En general el proceso requiere de tres etapas
1) Oxidacioacuten Los aacutetomos metaacutelicos aumentan su valencia al ceder electrones convirtieacutendose
en iones positivos los cuales pasan al electrolito
2) Transporte de carga Los electrones son transferidos al caacutetodo
3) Reduccioacuten Reaccioacuten donde se consumen los electrones generados en la oxidacioacuten
Este tipo de corrosioacuten es netamente electroquiacutemico ya que es un proceso en el que se llevan
a cabo reacciones de oxidacioacuten y de reduccioacuten de ahiacute que se conozca coacutemo proceso REDOX Cabe
mencionar que se puede favorecer una reaccioacuten u otra en caso de inclinarse por la oxidacioacuten
10
entonces se da la corrosioacuten y si es la reduccioacuten se puede proteger al metal por ejemplo con
electrodepoacutesitos
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda
124 Tipos de ataque por corrosioacuten
Es importante sentildealar que la corrosioacuten huacutemeda presenta dos tipos de ataque corrosioacuten uniforme y
corrosioacuten localizada
a) Corrosioacuten uniforme homogeacutenea o generalizada El ataque se extiende de forma
homogeacutenea sobre toda la superficie metaacutelica y por tanto la peacuterdida de material es
aproximadamente la misma en todos los puntos A este tipo de ataque se le identifica por
crecimiento 2D debido a que se desarrolla preferentemente a lo largo de la superficie Por
consiguiente es relativamente faacutecil estimar la vida uacutetil de los materiales metaacutelicos que lo
sufren
b) Corrosioacuten localizada El ataque no se distribuye de forma homogeacutenea localizaacutendose por
el contrario en determinadas zonas de la superficie metaacutelica A este tipo de ataque se le
conoce por crecimiento 3D debido a que se desarrolla de manera local dando preferencia a
la profundidad maacutes que a la superficie Dentro de este tipo de corrosioacuten existe a su vez
otra clasificacioacuten que se menciona a continuacioacuten
11
a Corrosioacuten por picadura
b Corrosioacuten por hendidura
c Corrosioacuten galvaacutenica
d Corrosioacuten intergranular
e Corrosioacuten bajo tensioacuten
f Corrosioacuten cavitacioacuten
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten
125 Celdas electroquiacutemicas
En corrosioacuten una celda es un dispositivo en el cual se producen reacciones quiacutemicas de oxidacioacuten
y reduccioacuten El aparato se integra de las siguientes partes sustancia que contiene iones (electrolito)
dos electrodos (caacutetodo y aacutenodo) y una conexioacuten eleacutectrica entre ambos electrodos
Existen dos tipos de celdas las electroliacuteticas que requieren un voltaje externo (fuente de
poder) y las electroquiacutemicas o galvaacutenicas que solamente necesitan un instrumento para registrar
voltaje Por lo cual se dice que las primeras son no espontaacuteneas y las segundas espontaacuteneas
Termodinaacutemicamente una reaccioacuten espontaacutenea presenta una energiacutea libre de Gibbs negativa y la
no espontaacutenea positiva tal como se aprecia en la Tabla 11
12
1251 Celda galvaacutenica
Una celda galvaacutenica (Figura 18) es aquella en la cual la energiacutea quiacutemica es convertida en energiacutea
eleacutectrica por medio de una reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea Esto se debe a que un metal es maacutes activo
y otro maacutes noble aacutenodo y caacutetodo respectivamente seguacuten la serie galvaacutenica por lo que al ser
conectados eleacutectricamente producen un flujo de electrones desde el caacutetodo al aacutenodo Dicho flujo
genera un potencial eleacutectrico que puede ser medido experimentalmente
Los requisitos para que se produzca un proceso de corrosioacuten en una pila galvaacutenica son los
siguientes
1 Dos superficies con distinto potencial electroacutedico
a Una de ellas que constituye al aacutenodo de la reaccioacuten al ceder electrones sufriraacute la
corrosioacuten Es decir aquiacute se lleva a cabo la reaccioacuten de oxidacioacuten Es el polo
negativo
Mdeg Mne- + ne-
b La otra que constituye el caacutetodo ganaraacute los electrones cedidos por el aacutenodo En
esta zona ocurriraacute la reaccioacuten de reduccioacuten Es el polo positivo
Mne- + ne- Mdeg
13
2 Un electrolito conductor ioacutenico que contiene los elementos caracteriacutesticos del medio
corrosivo Es justo aquiacute en el seno de la solucioacuten donde ocurre el transporte de materia
3 Una conexioacuten eleacutectricamente conductora entre el aacutenodo y el caacutetodo para que sea posible
el transporte de carga
Figura 18 Celda galvaacutenica
1252 Celda electroliacutetica
Las celdas electroliacuteticas no son espontaacuteneas por lo que debe aplicarse externamente un potencial
eleacutectrico para que funcionen Al proveer dicha energiacutea se fuerza a que una corriente eleacutectrica pase
por la celda con el fin de generar reacciones quiacutemicas de oacutexido-reduccioacuten en la superficie de los
electrodos de dicha celda Uno de los procesos maacutes conocidos es el electrodepoacutesito de metales
como cobre niacutequel o zinc Es importante puntualizar que aquiacute el aacutenodo estaraacute cargado
positivamente y el caacutetodo negativamente contrario a lo sucedido en las celdas galvaacutenicas
Las partes que conforman a la celda electroliacutetica son las siguientes
1 Electrolito Al igual que en las celdas galvaacutenicas se necesita de un conductor ioacutenico
2 Aacutenodo En este tipo de celdas el aacutenodo posee el polo positivo y aquiacute se lleva a cabo la
oxidacioacuten de la especie electroquiacutemica
3 Caacutetodo Eacuteste es el polo negativo y en eacutel se produce la reduccioacuten de la especie
electroquiacutemica
14
4 Fuente de energiacutea Es quien aplica la energiacutea necesaria para poder invertir el sentido
natural de la corriente dando lugar a una reaccioacuten quiacutemica opuesta a la que se produce
espontaacuteneamente en la pila
Figura 19 Celda electroliacutetica
13 Principios Electroquiacutemicos
131 Electrolitos
Todos los solutos que se disuelven en agua se agrupan en dos categoriacuteas electrolitos y no
electrolitos Un electrolito es una sustancia que cuando se disuelve en agua forma una disolucioacuten
capaz de conducir la electricidad Un no electrolito por lo tanto no conduce la corriente eleacutectrica
cuando se disuelve en agua
1311 Tipos de electrolitos
Los electrolitos se clasifican en fuertes y deacutebiles Los primeros son sustancias que estaacuten casi
completamente disociadas en la solucioacuten e incluyen soacutelidos ioacutenicos y aacutecidos fuertes Los uacuteltimos
poseen enlaces tan fuertes que muy difiacutecilmente se ionizan en solucioacuten permaneciendo la mayor
parte en forma de moleacuteculas las cuales no tienen la capacidad de transportar carga eleacutectrica como
lo hacen los iones Es importante mencionar que los electrolitos por buenos conductores de la
electricidad que puedan ser siempre tendraacuten menor capacidad para conducir la electricidad que los
materiales soacutelidos [17]
15
132 Ley de Ohm
Una de las maacutes importantes caracteriacutesticas eleacutectricas de un material soacutelido es la facilidad con que
transmite una corriente eleacutectrica La ley de Ohm relaciona la corriente (I) o sea el paso de carga
por unidad de tiempo con el voltaje aplicado (V) de la manera siguiente
V = IR
Donde R es la resistencia del material a traveacutes del cual pasa la corriente Las unidades de
V I y R son respectivamente voltios (V) amperios (A) y ohmios (Ω)
133 Leyes de Faraday
En electroquiacutemica es de suma importancia poder determinar la velocidad a la que ocurren las
reacciones de oacutexido-reduccioacuten cuando una corriente atraviesa una interfase soacutelido-electrolito pues
esto trae como consecuencia un transporte de materia resultado de la peacuterdida (oxidacioacuten) o
ganancia (reduccioacuten) de masa en el electrodo de trabajo
Cabe mencionar que las caracteriacutesticas superficiales del electrodo y las interacciones del
electrolito en dicha superficie son las que determinan la velocidad de reaccioacuten de un proceso
electroquiacutemico [18] Sin embargo hay tantos factores que pueden afectar directamente la velocidad
de reaccioacuten que por ello las leyes de Faraday solo son utilizables cuando el proceso controlador es
la transferencia de carga
Con las investigaciones del fiacutesico britaacutenico Michael Faraday (1791-1867) se descubrieron
las relaciones cuantitativas entre la cantidad de electricidad que pasa a traveacutes de una solucioacuten y la
cantidad de materia separada o precipitada en los electrodos Es decir con dichas expresiones es
posible calcular el transporte de materia en la interfase soacutelido-electrolito [16]
Primera Ley La masa de un ion liberado o depositado en un electrodo es proporcional a
la cantidad de electricidad que pase a traveacutes de la solucioacuten
Ec 11
16
m = 119868119905119875119860
119899119865
Donde PA es el peso atoacutemico la I la corriente en Amperes t el tiempo que pasa dicha carga
en segundos n el nuacutemero de equivalentes involucrados y F la constante de Faraday
Segunda Ley Las cantidades de sustancias liberadas o depositadas por una cantidad de
electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes Aplica cuando una misma
cantidad de electricidad atraviesa distintos electrolitos es decir cuando el proceso se lleva a cabo
en serie
1198981
1198901=
1198982
1198902
Donde m1 y m2 son las masas depositadas y e1 y e2 son los equivalentes quiacutemicos El
equivalente quiacutemico es la relacioacuten entre el peso atoacutemico y el nuacutemero de oxidacioacuten del compuesto
en cuestioacuten
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary
La ecuacioacuten de Stern-Geary establece la relacioacuten entre la densidad de corriente de corrosioacuten (icorr)
es decir la velocidad de corrosioacuten con la resistencia a la polarizacioacuten [19]
119894119888119900119903119903 = 119861
119877119875
119861 = 119887119886119887119888
2303 (119887119886 + 119887119888)
Donde ba y bc son las pendientes de Tafel anoacutedica y catoacutedica respectivamente
La constante B en la ecuacioacuten sirve para presentar una relacioacuten existente entre las
pendientes de Tafel Para que la ecuacioacuten de Stern-Geary sea aplicable es imperativo que exista
comportamiento tafeliano en el sistema electroquiacutemico
Ec 12
Ec 13
Ec 14
Ec 15
17
14 Control de la corrosioacuten
Baacutesicamente todos los meacutetodos que existen para lograr controlar la corrosioacuten de los materiales
metaacutelicos son intentos para interferir con el mecanismo de corrosioacuten de tal manera que se pueda
hacer que eacuteste sea lo maacutes ineficiente posible Dado que para que exista un proceso de corrosioacuten
debe formarse una pila o celda de corrosioacuten ademaacutes de una diferencia de potencial entre los
electrodos o zonas anoacutedicas y catoacutedicas la eliminacioacuten de alguno de los componentes esenciales
de la mencionada pila podriacutea llegar a detener el proceso [20]
En la praacutectica existen tres maneras de lograr lo anterior y enseguida se explicaraacute en queacute
consiste cada una Sin embargo es muy importante sentildealar que ninguacuten meacutetodo elimina la
corrosioacuten sino que todos disminuyen la velocidad de la reaccioacuten de oxidacioacuten ya que el metal
siempre buscaraacute la condicioacuten de miacutenima energiacutea que es la formacioacuten de oacutexidos e hidroacutexidos
141 Proteccioacuten catoacutedica
Se debe recordar que toda estructura propensa a corroerse presenta zonas catoacutedicas y anoacutedicas
siendo estas uacuteltimas aquellas aacutereas donde se lleva a cabo la corrosioacuten Pero si todas las aacutereas
anoacutedicas se pudieran convertir en catoacutedicas la estructura completa funcionariacutea como caacutetodo y la
corrosioacuten se disminuiriacutea considerablemente [21] Ese es el mecanismo de accioacuten de la proteccioacuten
catoacutedica y se puede llevar a cabo de dos maneras tal como lo muestra la Figura 110
Por corriente impresa La proteccioacuten se logra aplicando una corriente externa a partir de
un rectificador que suministra corriente continua de bajo voltaje El terminal positivo de la
fuente de corriente se conecta a un aacutenodo auxiliar (grafito por ejemplo) localizado a una
determinada distancia de la estructura a proteger y el terminal negativo se conecta a la
estructura metaacutelica
Por aacutenodos de sacrificio El metal a proteger se conecta a otro metal menos noble seguacuten
la serie galvaacutenica que actuaraacute como aacutenodo en la celda de corrosioacuten En ese caso la
estructura actuaraacute como caacutetodo y quedaraacute protegida por el ldquosacrificiordquo del aacutenodo que se
corroeraacute
18
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de sacrificio de
magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
142 Inhibidores de corrosioacuten
Los inhibidores son sustancias orgaacutenicas o inorgaacutenicas que se agregan a la solucioacuten corrosiva con
el fin de disminuir su poder de ataque y asiacute reducir la velocidad de corrosioacuten Se puede decir que
un inhibidor es un calmante de la corrosioacuten pues como ya se mencionoacute con anterioridad ninguacuten
meacutetodo la elimina en su totalidad
El comportamiento de los inhibidores puede ser muchas veces peligroso ya que en funcioacuten
de la concentracioacuten pueden jugar tanto el papel de inhibidores como de estimuladores de la
corrosioacuten [21]
Los hay de dos tipos aunque a veces se utiliza una combinacioacuten de ambos
1) Inhibidores anoacutedicos Actuacutean formando un compuesto insoluble el cual precipita en los
lugares afectados por la peacuterdida de materia evitando la reaccioacuten anoacutedica y por lo tanto
inhibe la corrosioacuten Ejemplos hidroacutexido soacutedico carbonato silicato y borato de sodio
ciertos fosfatos cromato soacutedico nitrito y benzoato de sodio etc
2) Inhibidores catoacutedicos Actuacutean sobre toda la superficie formando una capa o peliacutecula de
alta resistencia eleacutectrica la cual funciona como una barrera para la corriente de corrosioacuten
Ejemplos sulfato de zinc sulfato de magnesio bicarbonato de calcio etc
143 Recubrimientos protectores
Los recubrimientos representan la primera liacutenea en la lucha contra la corrosioacuten Los recubrimientos
sea cual fuere su tipo no mejoran las caracteriacutesticas mecaacutenicas del elemento sin embargo
preservan su resistencia e integridad Sus objetivos pueden ser variados siendo el principal aislar
la estructura del medio agresivo con el que se encuentra en contacto (agua suelo y atmoacutesfera por
lo general) aunque tambieacuten cumplen en ocasiones fines cosmeacuteticos
19
En general se emplean bajo condiciones muy amplias como puede ser exposicioacuten
atmosfeacuterica inmersioacuten en agua estructuras enterradas elementos sometidos a quiacutemicos etc Los
recubrimientos representan la uacuteltima etapa de los procesos de fabricacioacuten de cualquier pieza
sistema o equipo siendo normalmente aplicados antes del ensamble [21] Existe por lo tanto una
amplia gama de materiales que pueden ser utilizados como recubrimientos de los metales
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos
Orgaacutenicos Los recubrimientos orgaacutenicos son poliacutemeros y resinas producidas en forma
natural o sinteacutetica generalmente formulados para aplicarse como liacutequidos que se secan o
endurecen como peliacuteculas delgadas en materiales del sustrato Por ejemplo las pinturas
Inorgaacutenicos Los recubrimientos inorgaacutenicos proporcionan acabados tersos y maacutes
duraderos los maacutes usados son el vidrio y los ceraacutemicos
Metaacutelicos Los recubrimientos metaacutelicos se aplican mediante capas finas que funcionen
como aacutenodos sacrificables que puedan ser corroiacutedos en lugar del metal subyacente Por
ejemplo Niquelado cromado galvanizado electroliacutetico inmersioacuten en caliente etc
15 Galvanoplastia
La galvanoplastia es una teacutecnica que proporciona un recubrimiento metaacutelico a una estructura que
deseamos proteger El elemento adherido modifica las propiedades superficiales del material sobre
el cual se depositan promoviendo caracteriacutesticas que son imposibles de obtener en el metal base
Es un meacutetodo que se fundamenta en la electroacutelisis para asiacute cubrir un metal base con un fina
capa de otro metal ya sea cobre niacutequel cromo oro plata con el fin de embellecerlo o impartirle
resistencia a la corrosioacuten
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten
La electrodeposicioacuten puede ser de un solo metal de capas de diferentes metales o de una aleacioacuten
(por ejemplo latoacuten) Los metales maacutes utilizados para electrodepoacutesito son en orden de importancia
zinc niacutequel estantildeo y cadmio [22] Tambieacuten es usual recubrir con oro plata y platino En el caso
de aleaciones es comuacuten la aplicacioacuten de Babbitts (aleaciones Pb-Sn) Es conveniente mencionar
que la mayoriacutea de los metales se pueden depositar por eacuteste procedimiento
20
En teacuterminos simples este proceso consiste en la inmersioacuten de la parte a recubrir en un
electrolito que contenga iones del metal a depositar para asiacute proceder al paso de una corriente
directa que permita el depoacutesito en la pieza (caacutetodo) donde los iones son repuestos por la accioacuten de
la propia corriente sobre el aacutenodo
Pero iquestcoacutemo sucede realmente el fenoacutemeno de la electrodeposicioacuten A continuacioacuten se
daraacute una explicacioacuten maacutes detallada sin embargo solo las reacciones en el caacutetodo seraacuten presentadas
ya que en general las reacciones en un aacutenodo soluble seraacuten las inversas de aquellas presentes en
el caacutetodo
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre
Suponga una solucioacuten de una sal metaacutelica tal como el sulfato de cobre (Figura 111) la sal
se disocia considerablemente formando cationes cargados positivamente y aniones cargados
negativamente como ya se ha mencionado anteriormente El agua presente se disocia un poco para
formar iones hidroacutegeno e hidroxilo Todo aacutecido sulfuacuterico presente se disocia tambieacuten en iones
hidroacutegeno y en iones ya sea HSO4- o ya sea SO4
-2 La mayor parte de estos iones estaacuten hidratados
o sea que se encuentran combinados con una o maacutes moleacuteculas de agua
Cuando se aplica un potencial a dos electrodos en una solucioacuten asiacute los cationes cargados
positivamente emigran hacia el caacutetodo y los aniones negativos se mueven hacia el aacutenodo En una
solucioacuten acidificada la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es relativamente alta y la de los iones
hidroxilo es muy baja En virtud de que los iones hidroacutegeno se mueven maacutes raacutepidamente que los
iones cobre la mayor parte de la corriente es llevada hacia el caacutetodo por los iones hidroacutegeno Sin
embargo es maacutes faacutecil descargar los iones cobre asiacute que praacutecticamente toda la corriente que se usa
en el caacutetodo es para depositar cobre
21
Es difiacutecil representar el proceso implicado en el depoacutesito real de un metal sobre el sustrato
El caacutetodo se encuentra cargado negativamente o sea tiene una concentracioacuten de electrones
relativamente alta los cuales siempre aprovechan la oportunidad de combinarse con iones cargados
positivamente para asiacute formar los aacutetomos metaacutelicos
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel
El niacutequel (Ni) es un elemento quiacutemico de nuacutemero atoacutemico 28 situado en el grupo 10 de la tabla
perioacutedica de los elementos Es un metal blanco plateado duro maleable y duacutectil que puede
presentar un intenso brillo
Como elemento aleante proporciona resistencia tenacidad y proteccioacuten contra la corrosioacuten
El uso principal del niacutequel como metal es en la electrodeposicioacuten de piezas ya que funge como
protector corrosivo y de desgaste ante otros materiales que suelen ser maacutes susceptibles
ambientalmente tal como el hierro o el acero ademaacutes de embellecer la superficie El niacutequel es un
metal muy poco activo y bajo casi todas las condiciones tiende a resistir manchas y oxidacioacuten [23]
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel
Normalmente los galvanizados de niacutequel se hacen a partir de soluciones aacutecidas variando en un
rango de pH de 15 a 60 Una excepcioacuten es el uso de un bantildeo alcalino amoniacal de niacutequel con un
pH cerca de 9 [22]
A pesar de las muchas foacutermulas de bantildeos de niacutequel casi todas ellas contienen tres componentes
esenciales
Sulfato de niacutequel Constituye la principal fuente de iones niacutequel ademaacutes de controlar los
liacutemites admisibles de densidad de corriente
Cloruro de niacutequel Suministra los iones cloruros necesarios para asegurar la corrosioacuten de
los aacutenodos de niacutequel Tambieacuten es una fuente secundaria de iones niacutequel
Aacutecido boacuterico Actuacutea como agente tampoacuten y para conservar la adhesioacuten del depoacutesito de
niacutequel
A continuacioacuten se enlistan las teacutecnicas principales que se utilizan en los depoacutesitos de niacutequel
[22] Cabe mencionar que las concentraciones exactas y las condiciones de operacioacuten pueden
modificarse pero los valores que se dan pueden servir de guiacutea
22
1 Niacutequel a bantildeo friacuteo diluido
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 09 120 16
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Fluoruro de amonio NH4F 057 65 87
2 Bantildeo caliente Tipo Watts
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 04 45 6
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
pH para operacioacuten a un alto pH 45-55 a un bajo pH 15-30
Temperatura 43deg C (110 degF)
Densidad de corriente 2-7 ampdm2 (20-65 ampft2)
3 Bantildeo de alto sulfato
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 05 70 9
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Sulfato de sodio Na2SO4 10 160 22
Aacutecido boacuterico H3BO3 025 M 15 2
pH 55
Temperatura 20-30 degC (68-86 degF)
Densidad de corriente 15-30 ampdm2 (14-28 ampft2)
4 Bantildeo brillante de niacutequel-cobalto
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
23
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 038 45 6
Sulfato de cobalto CoSO4 7H2O 011 15 2
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
Sulfato de amonio (NH4)2SO4 004 25 03
Formato de niacutequel Ni(COOH)2 067 50 67
Formaldehiacutedo HCHO (40) 25 03
pH 45
Temperatura 55 degC (131 degF)
Densidad de corriente 3 ampdm2 (28 ampft2)
1522 Condiciones de operacioacuten
El caraacutecter del depoacutesito depende de varios factores incluyendo la temperatura la densidad de
corriente el pH la distancia entre los electrodos y la agitacioacuten los cuales se ajustan para producir
recubrimientos gruesos o delgados mates o brillantes suaves o duros duacutectiles o fraacutegiles [22] Cabe
mencionar que los valores oacuteptimos para cada factor variacutean de acuerdo con el tipo del bantildeo por lo
que no es posible dar cifras determinadas En su lugar se indicaraacuten los efectos sobre el caraacutecter de
los depoacutesitos obtenidos
pH La eleccioacuten de pH es regida por el tipo de bantildeo y las propiedades que se desean en el
depoacutesito En general en bantildeos de niacutequel opaco un aumento en el pH especialmente arriba de 50
produce depoacutesitos maacutes duros probablemente como resultado de mayor precipitacioacuten
Reciacuteprocamente los depoacutesitos de bajo pH seraacuten probablemente suaves
Temperatura La ventaja de aplicar altas temperaturas depende de varios factores
incluyendo (1) maacutes elevada solubilidad del niacutequel u otras sales (2) mayor conductividad (3)
reducida polarizacioacuten en ambos electrodos y (4) aumento de eficiencia en el aacutenodo y caacutetodo
Aunque de igual manera se pueden presentar ciertas desventajas (1) aumento de la tendencia a la
precipitacioacuten de impurezas (2) la propensioacuten a coagular agentes abrillantadores (3) vaporizacioacuten
excesiva (4) produccioacuten de depoacutesitos pasivos y (5) menor potencia de depoacutesito
Densidad de corriente La densidad de corriente es dependiente de los dos factores
anteriores A temperatura ambiente especialmente en bantildeos diluidos se emplean densidades de
24
corriente de 5 a 20 Aft2 (05 a 2 Adm2) En bantildeos maacutes fuertes y calientes se pueden usar
densidades de corriente hasta de 60 Aft2 (6 Adm2)
Agitacioacuten El efecto de la agitacioacuten equivale a un aumento en concentracioacuten de niacutequel y a
una disminucioacuten de pH lo que permite densidades de corriente maacutes altas Una desventaja de la
agitacioacuten raacutepida en los bantildeos de niacutequel es que con el movimiento suben a la superficie las partiacuteculas
suspendidas lo que trae consigo un depoacutesito aacutespero
Distancia entre electrodos La elaboracioacuten de recubrimientos con espesor uniforme
depende tambieacuten de la propia disposicioacuten y espacio adecuado de las piezas de trabajo aacutenodo y
caacutetodo Por lo que entre maacutes cercana esteacute la superficie a recubrir del aacutenodo mayor seraacute el espesor
del depoacutesito obtenido
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel
Las propiedades fiacutesicas del niacutequel electrodepositado son de especial intereacutes porque hay una gran
variedad de propiedades el control de las cuales de las cuales crea aplicaciones especiales del
niacutequel por ejemplo en electroformacioacuten Las siguientes propiedades son para depoacutesitos opacos de
niacutequel [22]
Dureza Esta variacutea en los diferentes depoacutesitos de niacutequel cerca de 130 a 430 HB En el bantildeo
tipo Watts se obtuvo un miacutenimo de dureza a un pH de 3 obtenieacutendose depoacutesitos maacutes duros abajo
y arriba de este liacutemite Los depoacutesitos maacutes duros se obtienen con un alto pH
Resistencia a la tensioacuten En general la resistencia a la tensioacuten es casi paralela a la dureza
y va de 56 000 a 160 000 lbplg2 (3 900 a 11 000 kgcm2)
Ductilidad La ductilidad medida por elongacioacuten es casi inversamente proporcional a la
dureza y a la resistencia a la tensioacuten
Resistividad eleacutectrica La resistividad eleacutectrica del niacutequel depositado es influenciada por el
contenido de inclusiones como el oacutexido y el cobalto Se presenta un poco en un pH 3
Composicioacuten Los depoacutesitos de niacutequel contienen oxiacutegeno e hidroacutegeno probablemente
presentes como compuestos baacutesicos del niacutequel como Ni(OH)2 El cloruro puede estar presente en
los depoacutesitos de todos los bantildeos de cloruro Estas inclusiones indudablemente tienen influencia en
la dureza y resistencia a la tensioacuten
25
1524 Niquelado en diferentes metales base
Debido a que el niacutequel es el maacutes extensamente aplicado a numerosos metales base solo algunos
ciclos empleados seraacuten considerados en esta seccioacuten [22]
Niquelado en acero El niacutequel puede ser depositado directamente sobre acero o sobre una
capa delgada o gruesa de cobre Debido a numerosas pruebas de corrosioacuten y a lo demostrado por
la experiencia se sabe que las capas de cobre ejercen menos proteccioacuten que una densidad igual de
niacutequel por lo tanto la tendencia actual es eliminar el cobre
Niquelado en hierro vaciado La dificultad de galvanizar sobre hierro vaciado estaacute
indudablemente asociada con la presencia de carbono liberado o grafito en el hierro Si eacuteste
permanece parcialmente embebido el niacutequel no se deposita tan faacutecilmente sobre el carboacuten o
carburos como en los cristales de hierro Por ello se utiliza una capa de cobre ya que mejora la
adhesioacuten del niacutequel al hierro vaciado La limpieza catoacutedica en caacuteustico fundido es algunas veces
efectiva y la saturacioacuten en aacutecido fluorhiacutedrico puede ayudar Por buena que sea la adhesioacuten del
niacutequel al hierro vaciado no es tan buena como en el acero
Niquelado en cobre y latoacuten La praacutectica maacutes comuacuten es aplicar el niacutequel directamente al
cobre o latoacuten seguido por la acostumbrada capa de cromo Ha sido demostrado concluyentemente
que las capas de cromo aplicadas directamente al latoacuten dan menos proteccioacuten contra la corrosioacuten
que cuando se aplica primero una capa de niacutequel
Niquelado en zinc y vaciados con base de zinc Se ha confirmado por muchas pruebas que
las capas adherentes de niacutequel pueden ser aplicadas directamente a troquelados de zinc usando un
alto-sulfato en bantildeo de niacutequel El principio de este bantildeo es la adicioacuten de suficiente sulfato de sodio
para reducir la actividad del ion niacutequel y aumentar la polarizacioacuten del caacutetodo De este modo se
evita que el zinc pase a la solucioacuten precipitando niacutequel oscuro Este bantildeo de alto sulfato de niacutequel
tiene una excelente conductividad y potencia de depoacutesito
Niquelado en magnesio El galvanizado de niacutequel u otros metales en magnesio o sus
aleaciones se hace difiacutecilmente por la alta actividad del magnesio y su consecuente tendencia a
depositar niacutequel u otros metales pesados por inmersioacuten Debido a la gran diferencia de potenciales
de solucioacuten del magnesio y de metales como el cobre niacutequel o cromo eacutestos pueden galvanizarse
sobre el magnesio cuya corrosioacuten se acelera raacutepidamente si hay algunos poros o discontinuidad en
26
los recubrimientos Mientas no se pueda demostrar que pueden producirse y mantenerse
recubrimientos electroliacuteticos casi impenetrables en el magnesio y sus aleaciones es de dudarse que
estos galvanizados puedan tener una aplicacioacuten industrial
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de materiales consiste en la obtencioacuten de informacioacuten acerca de un material
bajo estudio (composicioacuten estructura morfologiacutea y otras propiedades) a partir de la interaccioacuten de
una sentildeal (eleacutectrica luminosa teacutermica etc) con una porcioacuten de dicho material Por tanto toda
caracterizacioacuten de un material supone una agresioacuten es decir una perturbacioacuten del mismo El
estudio de la respuesta del material a dicha perturbacioacuten tiene la finalidad de dar a conocer las
propiedades del mismo para asiacute predecir si seraacute uacutetil o no en una determinada aplicacioacuten
Se puede asegurar que la ayuda de las nuevas teacutecnicas de caracterizacioacuten y anaacutelisis ha sido
indispensable en el disentildeo siacutentesis y procesado de estos materiales permitiendo un cuidadoso
control de sus propiedades e incluso en muchos casos con la posibilidad de fijar de antemano
alguna de sus caracteriacutesticas
161 Dureza
La dureza es una propiedad de los materiales soacutelidos y se define como la resistencia que oponen
estos materiales a ser deformados Una buena dureza significa generalmente que el material es
resistente al rayado y al desgaste [23]
1611 Ensayo de dureza Vickers
Este ensayo usa un indentador en forma de piraacutemide hecho de diamante Figura 112 (a) El ensayo
se basa en el principio de que las impresiones hechas por este indentador tienen geometriacuteas
similares independientemente de la carga aplicada En consecuencia se aplican varias cargas
dependiendo de la dureza del material a ensayar [24] la dureza Vickers se determina entonces con
la foacutermula
HV = 1854 119865
1198632
Donde F es la fuerza aplicada en kgf y D es la diagonal de la impresioacuten hecha por el
indentador en mm El ensayo Vickers puede usarse para todos los metales porque cuenta con una
de las escalas maacutes amplias entre los ensayos de dureza
Ec 16
27
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante un ensayo de dureza
162 Rugosidad
El acabado superficial de los cuerpos puede presentar errores de forma macro y micro geomeacutetricos
auacuten las superficies consideradas como ldquomuy lisasrdquo muestran cuando son analizadas a escala
sumamente fina una compleja diversidad de particularidades geomeacutetricas [25] Por lo tanto la
rugosidad es el conjunto de irregularidades en una superficie real
1621 El perfiloacutemetro
El rugosiacutemetro o perfiloacutemetro es por mucho el equipo maacutes utilizado en la industria para medir la
rugosidad de componentes comunes El principio de operacioacuten de este equipo es simple una fina
punta en contacto con la superficie a analizar realiza un barrido controlado en liacutenea recta y las
variaciones de alturas se convierten en sentildeales eleacutectricas que son debidamente registradas
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro
28
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB)
En el microscopio electroacutenico de barrido se construyen imaacutegenes aprovechando la emisioacuten de
electrones (electrones secundarios) de una muestra cuando sobre ella incide un haz enfocado de
electrones de alta energiacutea La muestra tambieacuten emite rayos X los cuales pueden ser analizados para
obtener informacioacuten sobre la composicioacuten del material [26] Cada sentildeal del MEB es captada con
un detector apropiado
Los electrones emitidos por la interaccioacuten del haz incidente y la muestra son colectados por
los correspondientes detectores para producir una sentildeal eleacutectrica la cual se utiliza para modular la
intensidad de un haz de electrones que incide en la pantalla de un tubo de rayos catoacutedicos (TRC)
de manera que mediante un barrido sincronizado del haz incidente en la superficie de una muestra
y del haz incidente en la pantalla del TRC se produce la imagen de la muestra [26]
La emisioacuten de electrones y de rayos X de la muestra se origina por las colisiones de
electrones del haz incidente con electrones de los aacutetomos del material de la probeta tal como se
puede observar en la Figura 114
Algunas colisiones son elaacutesticas de modo que algunos electrones del haz primario pueden
salir de la superficie de la muestra sin una significativa peacuterdida de energiacutea estos son los llamados
electrones reflejados Pero la mayoriacutea de las colisiones son inelaacutesticas y entre otros efectos
originan emisioacuten de electrones de baja energiacutea conocidos como electrones secundarios
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y fotones por la
interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
29
1631 Componentes baacutesicos del MEB
Cantildeoacuten de electrones que produce un haz con energiacutea entre 5 keV y 30 keV con un diaacutemetro
efectivo entre 01 microm y 10 microm
Lentes electromagneacuteticas condensadoras que reducen el diaacutemetro del haz de manera que en
la superficie de la muestra se tiene un diaacutemetro apropiado al aumento de la imagen
Apertura final la cual controla la divergencia del haz incidente en la muestra
Una lente objetivo que enfoca el haz en la superficie de la muestra
Sistema de barrido el cual permite la construccioacuten de la imagen en la pantalla del TRC por
el barrido del haz en la superficie de la muestra
Detectores de sentildeales emitidas por la muestra (Electrones secundarios electrones
reflejados rayos X etc)
Tubo de rayos catoacutedicos para presentacioacuten de la imagen
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica es una teacutecnica relativamente nueva que permite obtener
imaacutegenes de superficies a escala molecular [27] El microscopio consta esencialmente de una punta
de Si3N4 montada sobre un fleje Con esta punta se realiza un barrido sobre la superficie de la
muestra la cual se situacutea sobre un escaacutener piezoeleacutectrico El funcionamiento del microscopio se
basa en el control por un ordenador de la fuerza ejercida por la punta durante el barrido (Ver Figura
30
116) En el modo denominado de contacto la fuerza punta-muestra se mantiene constante
mediante un sistema de retroalimentacioacuten basado en los siguientes puntos
1) La variacioacuten de la fuerza punta-muestra se traduce en movimientos verticales y horizontales
del fleje que hacen variar la direccioacuten de un rayo laacuteser incidente sobre eacutel Estos cambios en
la direccioacuten del laacuteser son recogidos por un fotodetector y analizados por un ordenador
2) Los aumentos o disminuciones de fuerza son compensados por el ordenador que enviacutea una
sentildeal al piezoeleacutectrico para que acerque o aleje la muestra a la punta
3) Tanto las variaciones del haz luminoso como los movimientos controlados del
piezoeleacutectrico son convertidos por el ordenador en un mapa topograacutefico de la superficie
Figura 116 Funcionamiento de un MFA
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX)
El meacutetodo de difraccioacuten por rayos X es una herramienta poderosa para investigar la disposicioacuten
ordenada de los aacutetomos o moleacuteculas por medio de la interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica
para producir efectos de interferencia con estructuras comparables en tamantildeo a la longitud de onda
de la radiacioacuten
31
Al igual que con los tipos de radiacioacuten electromagneacutetica la interaccioacuten entre el vector
eleacutectrico de la radiacioacuten X y los electrones de la materia que atraviesa da lugar a una dispersioacuten
Cuando los rayos X son dispersados por el entorno ordenado de un cristal tienen lugar
interferencias (constructivas y destructivas) entre los rayos dispersados ya que las distancias entre
los centros de dispersioacuten son del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la radiacioacuten
La teacutecnica de difraccioacuten de rayos X aplicada al estudio de materiales permite obtener
informacioacuten importante sobre distintos aspectos de los mismos Para recubrimientos [28] eacutesta
teacutecnica es imprescindible para determinar
Tipo de estructura (FCC HCP etc)
Esfuerzos residuales
Microdeformaciones
Tamantildeo de grano
Fases presentes
Proporcioacuten relativa de las fases
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X
El fenoacutemeno de difraccioacuten es la interferencia entre las ondas que se genera cuando hay un objeto
en su trayecto Para comprender mejor esto supoacutengase dos planos reticulares 1 y 2 tal como en la
Figura 117 de un cristal con una distancia d entre ambos converge un haz de rayos X procedente
de A con un aacutengulo de incidencia θ este haz en parte se refleja sobre el primer plano hacia F y
en parte atraviesa y se refleja sobre el plano 2 hacia F3 y asiacute sucesivamente sobre los otros planos
[29]
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X
32
En el punto D se sobrepone un rayo reflejado por el primer plano reticular y el otro del
segundo cuya diferencia de camino despueacutes de la reflexioacuten es CD-ED Si tal diferencia es un
muacuteltiplo entero n de la longitud de onda λ de la radiacioacuten X los dos rayos en D estaraacuten en
concordancia de fase y sobreponieacutendose aumentaraacute su intensidad
Por el contrario si estaacuten en discordancia tenderaacuten a anularse Para que se verifique esta
condicioacuten es necesario que las magnitudes λ d θ y n satisfagan la relacioacuten de la Ley de Bragg
nλ = 2 d sen θ
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP)
La teacutecnica electroquiacutemica llamada Resistencia a la Polarizacioacuten es el resultado de la aproximacioacuten
de bajo campo a la ecuacioacuten de Butler-Volmer y por este motivo se debe aplicar solamente cuando
exista control activacional o por transferencia de carga
Los materiales que son susceptibles de ser evaluados mediante la aplicacioacuten de la RP deben
estar inmersos en electrolitos conductores es decir que la resistividad de las soluciones no sea alta
y deben encontrarse libres de peliacuteculas resistivas
1661 Procedimiento experimental
Para realizar un estudio experimental de Resistencia a la Polarizacioacuten lo mejor es acudir a la norma
ASTM G 59-91 [32] En general los pasos a seguir de acuerdo a la norma son los siguientes
Usar un puente salino que acerque el electrodo de referencia a 2 o 3 mm de la superficie
del electrodo de trabajo
Registrar el potencial de corrosioacuten despueacutes de 5 minutos
Aplicar un potencial 30 mV maacutes negativo que el potencial registrado
Un minuto despueacutes de que se aplique el potencial se inicia un barrido con direccioacuten anoacutedica
a 06 Vh (10 mVmin) registrando el potencial y la corriente continuamente
Terminar el barrido cuando se alcanza un valor de 30 mV positivo que el potencial de
corrosioacuten
Graficar la curva de polarizacioacuten
Determinar graacuteficamente la resistencia a la polarizacioacuten como la tangente a la curva en el
origen de la graacutefica
Ec 17
33
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE)
La teacutecnica de Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica es un meacutetodo electroquiacutemico
utilizado en estudios de corrosioacuten el cual se basa en el uso de una sentildeal de corriente alterna (CA)
que es aplicada a un electrodo (metal en corrosioacuten) y determinando la respuesta correspondiente
En el procedimiento experimental comuacutenmente utilizado se aplica una sentildeal sinusoidal de
voltaje y se mide su respuesta en corriente a diferentes frecuencias aunque es posible aplicar una
pequentildea cantidad de corriente y medir la respuesta del potencial El voltaje la corriente y la
frecuencia son relacionadas por la impedancia en una forma anaacuteloga a la ley de Ohm
V = IZ
Donde Z es la impedancia del circuito A diferencia de la resistencia la impedancia de un
circuito puede depender de la frecuencia aplicada
Cuando se aplica una sentildeal de CA incluso en un sistema de corrosioacuten sencillo se comporta
de manera maacutes complicada que una sola resistencia Pues existe tambieacuten una capacitancia la de la
doble capa electroquiacutemica (Cdl) que es debida a la carga de las especies existentes en la interfase
metal-electrolito y que se encuentra presente en todos los sistemas corrosivos Ademaacutes estaacute la
resistencia de la solucioacuten (Rs) para que se le permita La combinacioacuten de estos tres componentes
proporciona un circuito equivalente simple para un metal que se corroe Dicho circuito es una
combinacioacuten de elementos eleacutectricos tales como resistores y capacitores lo que da la misma
respuesta a sentildeales eleacutectricas como el metal real que se corroe [30] El circuito simple descrito
anteriormente se muestra en la Figura 118
Figura 118 Circuito equivalente simple
Los espectros de impedancia se pueden utilizar para identificar y cuantificar las
capacitancias en el sistema y para separar diferentes resistencias por ejemplo la resistencia de la
solucioacuten y la resistencia a la polarizacioacuten A altas frecuencias la resistencia de la solucioacuten se puede
cuantificar A frecuencias maacutes bajas los diferentes tipos de procesos se producen en diferentes
Ec 18
34
escalas de tiempo (en diferentes frecuencias) y puede ser posible identificar los procesos de
difusioacuten o los fenoacutemenos de adsorcioacuten y desorcioacuten [3031]
1671 Representaciones graacuteficas
Solamente existen dos maneras de representar los valores experimentales de la espectroscopia de
impedancia electroquiacutemica
1 Diagramas de Nyquist Tipo de representacioacuten maacutes comuacuten que consiste en graficar los
valores de la impedancia real frente a los de la impedancia imaginaria Estos diagramas
permiten identificar la resistencia del electrolito la resistencia a la transferencia de carga y
la resistencia a la polarizacioacuten [3031] en la mayor parte de los casos La Figura 119
muestra un ejemplo de este tipo de diagramas
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist
2 Diagramas de Bode En este tipo de representaciones se pueden obtener dos diagramas el
moacutedulo de la impedancia y el aacutengulo de fase (Figura 120) Tambieacuten en funcioacuten de la parte
real o la imaginaria pero en escala logariacutetmica Ambos graacuteficos son particularmente uacutetiles
cuando existen constantes de tiempo con valores muy proacuteximos que no se pueden distinguir
en los diagramas de Nyquist
35
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b) Moacutedulo de
impedancia
1672 Ecuacioacuten de Brug
Como bien se sabe el objetivo de los experimentos de EIS es a menudo extraer la capacitancia de
las peliacuteculas (posiblemente como una funcioacuten del potencial aplicado) y por lo tanto para obtener
informacioacuten sobre las propiedades dieleacutectricassemi-conductoras de dichas peliacuteculas Sin embargo
en diversos sistemas la estimacioacuten de la capacitancia es difiacutecil debido a que un comportamiento
de elemento de fase constante (CPE) se observa en lugar de un comportamiento capacitivo
Brug [33] propuso una foacutermula (Ec 19) que relaciona la resistencia del electrolito (Re) y
la resistencia a la transferencia de carga (Rtc) donde es posible calcular la capacitancia contenida
en el CPE
119862 = 1198761
120572[119877119890minus1 + 119877119905119888minus1]1minus120572
120572
Donde C es la capacitancia Q es el factor de Brug Re es la resistencia del electrolito Rtc
es la resistencia a la transferencia de carga y α es la pendiente de la impedancia calculada a bajas
frecuencias
Ec 19
36
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental
21 Preparacioacuten superficial de muestras
A partir de una laacutemina de acero 1018 de 150 x 1 m se cortaron 48 placas de 10 x 2 cm cada una
con una cizalla ya que se necesitaba que cada muestra fuera perfectamente paralela para el proceso
de electrodeposicioacuten
Las placas de acero presentaban una capa de oacutexido por lo que se siguioacute la norma ASTM
G1 [34] para decapar cada muestra durante 10 minutos en HCl al 50 (Ver figura 21) para
posteriormente lavarse con agua potable y asiacute pasar al lijado con granulometriacutea 180 240 320 400
y 600 Seguido de un lavado con agua destilada para eliminar residuos de material removido y
finalizando con un bantildeo de acetona para retirar cualquier resto de humedad y grasa
Figura 21 Decapado de muestras
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos
Para los electrodepoacutesitos con influencia de un campo magneacutetico se utilizaron dos imanes de
neodimio sin embargo no teniacutean sentildealizacioacuten alguna para diferenciar sus polos ni se conociacutea el
valor del campo Entonces se utilizoacute una bruacutejula para determinar el norte y sur de cada imaacuten asiacute
como se aprecia en la Figura 22
37
Figura 22 Determinacioacuten de los polos
Y el campo magneacutetico se midioacute con un gausiacutemetro Marca RFL modelo 91 (Figura 23)
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico
23 Preparacioacuten del electrolito
Para el proceso de electrodeposicioacuten se empleoacute un bantildeo Watts estaacutendar [35] cuya composicioacuten se
presenta en la Tabla 21
38
Para la deposicioacuten electroliacutetica sin campo se preparoacute un litro de solucioacuten y para la que teniacutea
influencia de campo magneacutetico se hicieron dos litros
24 Obtencioacuten de recubrimientos
Para las electrodeposiciones se utilizoacute una fuente de poder marca Good Will Instrumets modelo
GPR-3510HD En cuya terminal negativa se conectoacute el caacutetodo (acero 1018) y en la positiva el
aacutenodo (niacutequel soacutelido Figura 24) Ambos electrodos se colocaron paralelamente cara con cara
Figura 24 Rondelas de niacutequel
Los electrodepoacutesitos de niacutequel sobre acero 1018 con y sin influencia de campo magneacutetico
se llevaron a cabo a voltaje constante siendo eacuteste de 4 V midiendo la corriente resultante al
finalizar el proceso las muestras se lavaron con agua destilada y se dejaron secar al ambiente Se
realizaron seis condiciones diferentes tal como lo muestra la Tabla 22
En el caso de los electrodepoacutesitos en presencia de campo magneacutetico se utilizaron dos
imanes de Neodimio (Valor fluctuante de 15 a 34 T) los cuales se instalaron en la cuba
electroliacutetica el polo norte cerca del aacutenodo y el polo sur del caacutetodo tal como lo muestra la Figura
25
39
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con imanes de
neodimio
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos
Las muestras electrodepositadas con y sin presencia de campo magneacutetico se fijaron a una celda
de acriacutelico con un aacuterea de exposicioacuten de 133 cm2 en dicha celda se vertioacute una solucioacuten de NaCl
al 3 en peso se colocoacute una tapa y se introdujeron un electrodo de referencia de AgAgCl y un
contra-electrodo de grafito Dicha celda se conectoacute a un potenciostato marca Bio-logic modelo
SP-150 controlado mediante una computadora de escritorio con su respectivo software El
dispositivo utilizado para las pruebas se puede ver en la Figura 26a
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el electrodo de
referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo (ET)
40
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
Se utilizoacute la teacutecnica de RP en modo potenciodinaacutemico en un intervalo de plusmn 20 mVEcorr a una
velocidad de barrido de 01667 mVs haciendo la respectiva curva de polarizacioacuten mediante la
computadora Previo a esto el electrodo de trabajo se dejoacute estabilizar en el electrolito (NaCl al 3
peso) durante 30 minutos
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica
Al teacutermino de la medicioacuten de la RP el electrodo de trabajo se dejoacute a circuito abierto durante 15
minutos Posteriormente se utilizoacute la teacutecnica EIE en un intervalo de frecuencias de 50 kHz a 50
mHz a 7 puntos por deacutecada y 10 mV de perturbacioacuten
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos
Para la caracterizacioacuten superficial las placas se cortaron en una maacutequina dobladora a una medida
de 2 x 2 cm para asiacute poder ingresar a ciertos equipos Se eligioacute una muestra de cada condicioacuten
tanto con y sin influencia de campo magneacutetico
261 Dureza
Los estudios de dureza fueron obtenidos con un microduroacutemetro de Vickers marca
Mitutoyo Colocando las placas en el portamuestras del microscopio se hizo incidir el indentador
de diamante aplicando una carga de 10 kgf durante 20 s para un acero suave [36] Este
procedimiento se realizoacute 5 veces por muestra para obtener un promedio de dureza
262 Rugosidad
Se utilizoacute un rugosiacutemetro marca Mitutoyo modelo Surftest-402 Las muestras se colocaron
en una superficie plana y sobre ella se situoacute el palpador con punta coacutenica tal como lo muestra la
Figura 27 posteriormente se calibroacute dicha punta y entonces el equipo realizoacute un pequentildeo recorrido
sobre la superficie con el que determinoacute la rugosidad de cada muestra en microm
41
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido
Para esta caracterizacioacuten de las placas se utilizoacute el Microscopio Electroacutenico de Barrido de
alto-bajo vaciacuteo Jeol JSM 6610LV con un voltaje de 20 kV y una distancia de trabajo de 10 mm
Las placas se colocaron en un portamuestras (Figura 28) y se analizaron a alto vaciacuteo Las imaacutegenes
se formaron con una sentildeal de electrones secundarios a 500 1000 y 5000X
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
Se utilizoacute un Microscopio de Fuerza Atoacutemica marca Asylum Research modelo Cypher que cuenta
con una punta de silicio que tiene una constante de 2 Nm (conforme se va desgastando va
disminuyendo su valor)
Para las muestras sin influencia de campo magneacutetico se utilizoacute el modo contacto es decir
la fuerza entre la punta y la muestra son constantes En el caso de las muestras con influencia de
campo magneacutetico que mostraron una superficie menos rugosa y maacutes faacutecil de medir
topograacuteficamente se usoacute el modo no contacto por lo que la punta no tocaba la muestra sino que
42
oscilaba a una distancia de entre 1 y 10 nm Todas las imaacutegenes se obtuvieron en un aacuterea de 10 x
10 microm a una velocidad de barrido de 10 Hz escaneando 512 liacuteneas generadas por 512 puntos en
zonas especiacuteficas
265 Difraccioacuten de rayos X
Para esta caracterizacioacuten se utilizoacute un difractoacutemetro de rayos X marca Siemens modelo D5000
Las condiciones de operacioacuten fueron las siguientes velocidad de barrido de 05 s incrementos de
0035cps 35 kV y 25 mA El intervalo de aacutengulo seleccionado fue 2θ = 30 a 120deg que es el
rango donde aparecen la mayoriacutea de los picos caracteriacutesticos del niacutequel [37]
43
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten
Para una mejor comprensioacuten de los resultados eacutestos se presentan de manera comparativa en
funcioacuten del tiempo de electrodeposicioacuten con y sin campo magneacutetico analizando dichos
recubrimientos con las teacutecnicas electroquiacutemicas planteadas en el capiacutetulo de metodologiacutea
experimental tambieacuten se realizaron anaacutelisis del comportamiento de las propiedades fiacutesicas tales
como dureza rugosidad y espesor para determinar la influencia del campo magneacutetico durante la
electrodeposicioacuten de niacutequel
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos
La Figura 31b muestra las reacciones que se llevaron a cabo en el proceso de electrodeposicioacuten
Como ya se sabe en el aacutenodo se lleva a cabo la oxidacioacuten del niacutequel y en el caacutetodo la reduccioacuten
del mismo Sin embargo en el caacutetodo tambieacuten se lleva a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten del
hidroacutegeno ya que el medio usado para la electrodeposicioacuten es aacutecido (pH = 3) por ello la eficiencia
en el caacutetodo no es del 100
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni
311 Caacutelculo de masa depositada
Para conocer la masa de Ni depositada en el acero 1018 se realizaron mediciones de peso antes y
despueacutes de que las placas fueran sometidas al proceso de electrodeposicioacuten Sin embargo como el
aacuterea de electrodepoacutesito no es la misma en todas las placas se compara la masa depositada por
centiacutemetro cuadrado tal como lo muestra la Tabla 31
44
En la tabla 31 se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten de
niacutequel la masa por unidad de aacuterea aumenta Esto se cumple para ambas temperaturas (30degC y 60degC)
y ambas condiciones (sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico) sin embargo se demostraraacute
maacutes adelante que el aumento de masa no es garantiacutea de una reduccioacuten de la velocidad de corrosioacuten
(Grafico 31) Es importante sentildealar que tanto a 30degC como a 60degC la masa de niacutequel disminuye
cuando se utiliza el campo mageacutentico sin embargo a 30degC esto no se cumple debido a que hay un
aumento de masa
312 Eficiencia en corriente
Es importante mencionar que en todos los electrodepoacutesitos la corriente final era menor que la
inicial Dicha caiacuteda de corriente se debioacute a la formacioacuten de una capa de oacutexido en el aacutenodo Figura
32 lo que ocasionoacute una disminucioacuten en la entrega de cationes (Ni2+) a la solucioacuten
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido
La eficiencia en corriente se evaluoacute con la foacutermula del Anexo 1-A y se tomoacute el valor de la
corriente inicial para dicho caacutelculo Los resultados se muestran en la Tabla 32 Mientras que
Ferreira y Colnago [12] reportaron obtener eficiencias del doble para sus peliacuteculas de cobre en
45
este caso se puede notar que la presencia del campo magneacutetico provoca una disminucioacuten en el
rendimiento del sistema
La fuente de poder se debe regular para poder otorgar los 4 V que el proceso de
electrodeposicioacuten requiere y desde el momento en que se enciende el aparato empieza a mandar
corriente Por ello ciertas eficiencias sobrepasan el 100 pues el tiempo de ajuste se excedioacute maacutes
de 50 segundos
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
En la Figura 33 se observan los resultados de la resistencia a la polarizacioacuten en funcioacuten de la
temperatura y del tiempo de exposicioacuten A 60degC se observa que el campo magneacutetico provoca una
disminucioacuten de la resistencia a la polarizacioacuten para los diferentes tiempos de electrodepoacutesito
realizados lo cual se traduce en un aumento de la velocidad de corrosioacuten de acuerdo con la
ecuacioacuten de Stern y Geary (Ec 14) Este efecto de disminucioacuten de la Rp tambieacuten se observa en
los datos a 30degC con excepcioacuten del tiempo 7 minutos
46
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal
En la Tabla 33 se presentan las variaciones de icorr y Vcorr sin campo magneacutetico y en
presencia de campo magneacutetico a 30deg y 60deg en funcioacuten del tiempo de electrodepoacutesito
En la Graacutefica 31 se puede observar que a 60degC con mayor tiempo de electrodeposicioacuten de
Ni disminuye la Vcorr Sin embargo se puede notar que con la presencia del campo las velocidades
de corrosioacuten son mayores pero respetando la tendencia antes mencionada
60degC17min CM
60degC17min SC
60degC12min CM
60degC12min SC
60degC7min CM
60degC7min SC
30degC17min CM
30degC17min SC
30degC12min CM
30degC12min SC
30degC7min CM
30degC7min SC
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Rp (Ohm cm2)
47
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de electrodeposicioacuten
La tabla 34 muestra los valores de Ecorr para ambas temperaturas (30degC y 60degC) y en las
dos condiciones ensayadas (sin campo y con campo) Sin campo magneacutetico y con excepcioacuten de
30degC y 17 min se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten el Ecorr se
desplaza hacia valores menos negativos al mismo tiempo que la Vcorr disminuye (Tabla 33) De
acuerdo con la Teoriacutea de Potencial Mixto explicada por Evans el sistema se encuentra bajo un
control tipo anoacutedico es decir que la reaccioacuten de oxidacioacuten de niacutequel se desplaza para dar un Ecorr
menos negativo al mismo tiempo que reduce la Vcorr
1198731198942+ + 2119890minus harr 119873119894deg
Sin embargo a 30degC y 17 min el sistema se encuentra bajo control catoacutedico debido a que
persiste la disminucioacuten de Vcorr ahora con un cambio en el potencial hacia valores maacutes negativos
Al comparar los valores de Ecorr sin campo magneacutetico con los de campo magneacutetico se observa que
para la temperatura 60degC los valores de Ecorr se desplazan hacia valores maacutes electronegativos
Como se discutioacute anteriormente esto se debe a un control cineacutetico tipo anoacutedico Cuando se
considera la temperatura de 30degC se observa un desplazamiento hacia valores menos negativos es
7min 12min 17min
000
002
004
006
008
010
Vco
rr (
mm
an
o)
Tiempo de electrodeposicion
60degC Sin campo
60degC Con campo
30degC Sin campo
30degC Con campo
48
decir la cineacutetica estaacute controlada por la reaccioacuten catoacutedica Diversos trabajos reportan este mismo
efecto en donde el campo magneacutetico tiene un efecto sobre la reaccioacuten de reduccioacuten de oxiacutegeno
1198742 + 21198672119874 + 4119890minus harr 4119874119867minus
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica
Como se mencionoacute previamente en el apartado 167 referente a la teacutecnica de impedancia
mediante esta teacutecnica es posible evidenciar y cuantificar el efecto que tiene la capacitancia de una
interface electroquiacutemica y asiacute proporcionar informacioacuten complementaria al estudio de corrosioacuten
Las graacuteficas 32 33 y 34 correspondientes a los diagramas de Nyquist obtenidos en los
tres diferentes tiempos de electrodeposicioacuten a 60degC con y sin influencia de campo magneacutetico
Revelan en los tres casos que el campo magneacutetico disminuye la resistencia a la transferencia de
carga (Rtc) es decir el proceso de corrosioacuten se ve favorecido tal como se pudo mostrar en los
resultados de resistencia a la polarizacioacuten De igual manera se observa una disminucioacuten en la
resistencia del electrolito (Rs) esto debido a la fuerza convectiva (visible) que ejerce el campo
magneacutetico en el electrolito el cual provoca una mejor difusioacuten de los iones dicha informacioacuten es
consistente a lo reportado por Calivar e Ispas [67]
49
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
500
1000
1500
2000 50 mHz
60degC 7min SC
60degC 7min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
1000
2000
3000
50 mHz
60degC 12min SC
60degC 12min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
50 kHz
50 mHz
Re(Z) (Ohm cm2)
50
Graacutefica 34 EIE de 60degC 17min
34 Dureza Rugosidad y Espesor
La Tabla 35 muestra que la aplicacioacuten de un campo magneacutetico durante el proceso de
electrodeposicioacuten de niacutequel provoca que la dureza disminuya lo que significa que el recubrimiento
es menos susceptible a fracturarse este resultado es similar a lo reportado por Zielinski [11] y la
disminucioacuten de fracturas en sus peliacuteculas de Co-W ante la presencia de un campo magneacutetico
Tambieacuten es importante sentildealar que la rugosidad de cada niquelado presentoacute un
empobrecimiento lo que significa que el campo magneacutetico ayuda a obtener recubrimientos maacutes
uniformes
0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000
0
3000
6000
9000
12000
15000
18000 50 mHz
60degC 17min SC
60degC 17min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
51
Los espesores fueron calculados mediante la foacutermula que aparece en el Anexo 1-B y se
puede notar que eacuteste decrece ante la presencia del campo magneacutetico Esto se puede constatar de
igual forma a partir de los datos de impedancia los cuales permitieron calcular los valores de
capacitancia a partir de la ecuacioacuten de Brug (Ec 19) cuyos resultados se muestran en la Tabla
36
Como se puede observar los valores de capacitancia con el campo magneacutetico son mayores
en un orden de magnitud que aquellos donde no existe el campo permitiendo confirmar que el
espesor maacutes delgado se encuentra con la influencia del campo
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
A continuacioacuten se muestran las imaacutegenes topograacuteficas obtenidas en el MFA Con lo cual se puede
corroborar que ocurre una disminucioacuten en la rugosidad de las peliacuteculas de niacutequel con presencia de
campo magneacutetico
52
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC-7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC-12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC-17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
36 Difraccioacuten de Rayos X
Los patrones de difraccioacuten de los recubrimientos de Ni en acero 1018 Figura 37 se caracterizan
por la presencia de los planos de la estructura cuacutebica centrada en las caras de acuerdo al PDF 03-
065-4899 [32] Esta fase cristalina estuvo presente en todos los recubrimientos
De acuerdo con lo reportado por Hu [33] la energiacutea de activacioacuten para la evolucioacuten de
hidroacutegeno es mayor en el plano (111) que en el plano (200) del Ni Dicho de otra manera en el
53
plano (200) habraacute maacutes produccioacuten de hidroacutegeno gaseoso durante el proceso de electrodeposicioacuten
de niacutequel lo que trae consigo posiblemente recubrimientos porosos
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia de campo
magneacutetico
Para los depoacutesitos en presencia de campo magneacutetico a 7 y 12min se observa una orientacioacuten
preferencial en el plano (200) sin embargo el pico a 7min es mucho mayor que el de 12
comparando estos resultados con las pruebas electroquiacutemicas y de acuerdo a los reportado por Hu
[33] esto nos lleva a suponer que en este caso el recubrimiento es maacutes poroso y delgado de acuerdo
a las medidas de espesor (Tabla 35) Para el caso de 17min con campo magneacutetico se tiene una
orientacioacuten preferencial en el plano (111) esta muestra tiene un mejor comportamiento
electroquiacutemico de acuerdo a la Figura 33 ademaacutes de acuerdo a lo reportado por Hu [33] nos lleva
a deducir que este recubrimiento es el menos poroso de los tres con campo magneacutetico Lo anterior
explica por queacute la velocidad de corrosioacuten es mayor a 7min y va disminuyendo conforme aumenta
el tiempo de electrodeposicioacuten Y tambieacuten revela la causa por la que el potencial de corrosioacuten es
maacutes negativo en presencia del campo magneacutetico La porosidad tambieacuten nos explica la razoacuten por la
cual la dureza de los recubrimientos hechos en presencia del campo magneacutetico disminuye con
respecto a aquellos realizados en ausencia del mismo
40 45 50 55 600
4000
8000
12000
16000
20000
17min SC
17min CM
12 min CM
12 min SC
7min CM
Inte
nsid
ad
(U
A)
2 (grados)
60degC-7min SC
60degC-12min SC
60degC-17min SC
60degC-7min CM
60degC-12min CM
60degC-17min CM
Ni
7min SC
(111) (200)
54
La existencia de los poros en el recubrimiento propicia un par galvaacutenico Figura 38 entre
el niquelado electroliacutetico y el acero 1018 ya que este uacuteltimo es maacutes electronegativo por
consiguiente maacutes propenso a la corrosioacuten Tambieacuten estaacute el efecto de las diferencias de aacutereas entre
aacutenodo (acero) y caacutetodo (niquelado) siendo en este caso el caacutetodo quien posee mayor aacuterea de
exposicioacuten al ambiente es el aacutenodo quien se corroeraacute maacutes faacutecil y raacutepidamente
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni
37 Microscopia Electroacutenica de Barrido
Las Figuras 39 310 y 311 muestran las imaacutegenes obtenidas en el MEB de los recubrimientos de
Ni a 60degC 7min 12min y 17min respectivamente Se aprecia una morfologiacutea maacutes uniforme con la
presencia de campo magneacutetico y las aglomeraciones de partiacuteculas metaacutelicas son mucho maacutes
grandes que sus homoacutelogos sin influencia del campo
55
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y sin influencia
de campo magneacutetico
56
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min con y sin
influencia de campo magneacutetico
57
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min con y sin
influencia de campo magneacutetico
58
Conclusiones
A partir de los resultados experimentales obtenidos en el presente trabajo se puede concluir lo
siguiente
La eficiencia de electrodepositacioacuten es funcioacuten de la pureza del aacutenodo y de la corriente
aprovechada por la reaccioacuten de reduccioacuten de hidroacutegeno
El aumento en el tiempo de electrodepositacioacuten conduce a un aumento en la masa de niacutequel
electrodepositada esto es vaacutelido para la condicioacuten sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico
sin embargo esto no garantiza la disminucioacuten de Vcorr
Sin campo magneacutetico los resultados obtenidos a 30degC y 60degC muestran que la Vcorr
disminuye conforme el tiempo de electrodepoacutesito de niacutequel aumenta Tambieacuten en ausencia del
campo las Vcorr obtenidas a 30degC son menores comparadas con las Vcorr a 60degC a excepcioacuten de
17 min
Sin campo magneacutetico se observa que la degradacioacuten del niquelado estaacute controlada por una
cineacutetica anoacutedica lo cual es vaacutelido para 30degC y para 60degC con excepcioacuten de 30degC y 17 min donde
la cineacutetica que controla es catoacutedica Asimismo a 30degC con campo magneacutetico se observa que la
cineacutetica que controla el sistema es la catoacutedica lo cual sugiere que la reaccioacuten de reduccioacuten de
oxiacutegeno ser manipulada por el campo magneacutetico
En presencia del campo magneacutetico se encontroacute que la resistencia de la solucioacuten disminuyoacute
tanto a 30degC como a 60degC debido a una fuerza adicional convectiva que provoca el campo
magneacutetico
La Vcorr es dependiente de la cantidad de masa depositada pero tambieacuten del ordenamiento
cristalino que los aacutetomos de niacutequel adquieren al momento del electrodepoacutesito
En presencia del campo magneacutetico las micrografiacuteas MEB revelan superficies con menos
rugosidad respecto a las muestras sin campo magneacutetico
A 60degC hay poca o nula contribucioacuten del campo magneacutetico mientras que a 30degC si hay una
contribucioacuten del campo pero es negativa respecto a la Vcorr
59
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Anexo 1 Caacutelculos
1-A Caacutelculo de eficiencia
En la praacutectica la corriente suministrada a un sistema no es aprovechada al 100 pues hay
peacuterdidas de corriente por diversos motivos entre otros
a) Desviacioacuten de corriente por caminos secundarios
b) Impurezas de las soluciones (las cuales dan reacciones secundarias)
c) Resistencia eleacutectrica propia del bantildeo electroliacutetico
d) Peacuterdidas por transformacioacuten de energiacutea eleacutectrica a energiacutea caloriacutefica
e) Fenoacutemenos de polarizacioacuten
Entonces se puede decir que
Eficiencia en corriente = 119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119905119890oacute119903119894119888119886
119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119904119906119898119894119899119894119904119905119903119886119889119886 119903119890119886119897x100
1-B Caacutelculo de Espesor
El meacutetodo maacutes satisfactorio para medir el espesor promedio de una capa es disolverla y determinar
el peso de la misma a partir de una muestra cuya aacuterea se conozca en el caso de este estudio se
pesaron las placas antes y despueacutes del electrodepoacutesito para determinar la masa depositada El
espesor se calcula asiacute a partir del peso y del aacuterea y de la densidad o peso especiacutefico del depoacutesito
utilizando la foacutermula
T (espesor) = 119862119882 (119901119890119904119900)
119860(aacute119903119890119886)times119863(119901119890119904119900 119890119904119901119890119888iacute119891119894119888119900)
En donde C es una constante que depende simplemente de las unidades utilizadas En
unidades meacutetricas la ecuacioacuten se transforma en
T(mm) = 10119882(119892119903)
119860(1198881198982)times119863
63
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 7min
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 12min
-0000006 -0000003 0000000 0000003
-040
-038
-036
-034
-032
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
-0000004 -0000002 0000000 0000002
-035
-034
-033
-032
-031
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
64
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 17min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 7min
-00000006 -00000003 00000000 00000003 00000006
-026
-024
-022
-020
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
-00000027 -00000018 -00000009 00000000 00000009 00000018
-028
-024
-020
-016
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
65
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 12min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 17min
-0000004 -0000002 0000000 0000002 0000004
-038
-036
-034
-032
-030
-028
-026
-024
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
-0000006 -0000003 0000000 0000003 0000006 0000009
-032
-031
-030
-029
-028
-027
-026
-025
-024
-023
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
xiii
Nomenclatura
Ni ndash Niacutequel
T ndash Tesla
M ndash Metal
A ndash Ampere
Ec ndash Ecuacioacuten
ER ndash Electrodo de Referencia
ET ndash Electrodo de Trabajo
EA ndash Electrodo Auxiliar
Ecorr ndash Potencial de corrosioacuten
Vcorr ndash Velocidad de corrosioacuten
Rp ndash Resistencia a la polarizacioacuten
Rtc ndash Resistencia a la transferencia de carga
Rs ndash Resistencia del electrolito o de la solucioacuten
EIE ndash Espectroscopiacutea de impedancia electroquiacutemica
MFA ndash Microscopiacutea de fuerza atoacutemica
DRX ndash Difraccioacuten de rayos X
MEB ndash Microscopiacutea electroacutenica de barrido
SC ndash Sin campo magneacutetico
CM ndash Con campo magneacutetico
HV ndash Dureza Vickers
xiv
Resumen
En este estudio se obtuvieron recubrimientos de niacutequel con y sin presencia de campo magneacutetico a
60degC a 7 12 y 17 min sobre sustratos de acero al carbono AISI 1018 a partir de una solucioacuten tipo
Watts claacutesica Las propiedades de los recubrimientos se estudiaron mediante DRX MEB MFA
duroacutemetro y rugosiacutemetro tambieacuten se estudioacute el comportamiento electroquiacutemico de las peliacuteculas
mediante RP y EIE y ademaacutes se realizaron caacutelculos de capacitancia icorr velocidad de corrosioacuten
y espesor En general el campo magneacutetico tiene una influencia negativa en las propiedades fiacutesicas
y quiacutemicas de un electrodeposito de Ni en acero AISI 1018 Los detalles son discutidos en esta
investigacioacuten
Abstract
In this study nickel coatings were obtained with and without the presence of magnetic field at 60degC
for 7 12 and 17 min on substrates of AISI 1018 carbon steel from a classical type Watts solution
The properties of the coatings were studied by XRD SEM AFM hardness tester and roughness
tester the electrochemical behavior of the films was also studied through RP and EIE and also
capacitance calculations icorr corrosion rate and thickness were made In general the magnetic
field has a negative influence on the physical and chemical properties of an electrodeposited Ni
steel AISI 1018 The details are discussed in this research
1
Introduccioacuten
En los Reactores de agua en ebullicioacuten (BWR por sus siglas en ingleacutes) la radioacutelisis del agua
produce un medio altamente oxidante [1] que genera que los materiales estructurales presenten un
elevado potencial electroquiacutemico de corrosioacuten (PEC) cuando estaacuten en contacto con el agua en el
BWR Este PEC incrementa la propensioacuten a experimentar agrietamiento por corrosioacuten bajo
esfuerzos (SCC) [2] y agrietamiento por corrosioacuten intergranular bajo esfuerzos (IGSCC) [3] en los
materiales de los componentes internos tales como acero inoxidable aleaciones base niacutequel y las
zonas afectadas por el calor (HAZ) propias de un proceso de soldadura Ademaacutes en las condiciones
de alta temperatura del reactor BWR se forma una capa de oacutexido que puede ser hematita en
condiciones de alto oxiacutegeno o magnetita en condiciones de bajo oxiacutegeno Este segundo oacutexido es
un imaacuten por naturaleza por lo que este estudio contribuiraacute ademaacutes a discernir y en dado caso a
explicar si la presencia de un oacutexido magneacutetico o de otro que no lo sea tiene una influencia en la
deposicioacuten de recubrimientos alternos para mitigar el agrietamiento por corrosioacuten bajo esfuerzos
(SCC por sus siglas en ingleacutes) de los materiales de componentes internos de reactores BWR
El electrodepoacutesito de niacutequel sobre una superficie metaacutelica se hace con el fin de proteger las
piezas de la corrosioacuten pues posee buenas propiedades anticorrosivas y buena resistencia al
desgaste Los recubrimientos de niacutequel se utilizan en numerosos sectores industriales electroacutenica
componentes eleacutectricos petroquiacutemica automocioacuten etc [4] Por ello el presente trabajo muestra la
utilizacioacuten de un campo magneacutetico de 15 a 34 T (Valor fluctuante) para la obtencioacuten de
recubrimientos de Ni en acero un acero bajo carbono especiacuteficamente el AISI 1018 Las
propiedades de dichos recubrimientos se evaluaron mediante teacutecnicas electroquiacutemicas como Rp y
EIE para determinar las velocidades de corrosioacuten de las peliacuteculas De igual manera se estudiaron
los recubrimientos mediante DRX MEB y MFA Para finalmente establecer la influencia positiva
o negativa de dicho campo magneacutetico en los procesos de deposicioacuten electroliacutetica
2
Justificacioacuten
Para mitigar el SCC de los componentes internos de los BWR [5] en la actualidad se antildeaden sales
como precursores metaacutelicos por ejemplo Na2Pt(OH)6 que se transforman en partiacuteculas metaacutelicas
al entrar en contacto con el acero debido a la diferencia de potencial entre Fe y Pt [6] adhirieacutendose
al acero estructural por medio de procesos de precipitacioacuten Estas partiacuteculas catalizan las reacciones
de recombinacioacuten de especies oxidantes disminuyendo los procesos de corrosioacuten del acero sin
embargo los catalizadores basados en Pt tienen el inconveniente de costo elevado [7]
En este sentido una posible opcioacuten es la electrodeposicioacuten de un metal sobre la superficie
que se interesa proteger pero la efectividad de estos depoacutesitos depende de la preparacioacuten de la
superficie y de aspectos teacutecnicos ya estandarizados en normativas por ejemplo la Norma ISO
1458-1974 ldquoMetallic coatingsrdquo Si bien son de los mejores meacutetodos para proteger un metal auacuten
presentan diversas anomaliacuteas que generan superficies porosas falta de cohesioacuten y peliacuteculas
amorfas lo que conlleva a altos costos de produccioacuten debido a que se debe repetir el proceso y
contaminacioacuten ambiental a causa de los reactivos quiacutemicos usados para limpiar nuevamente la
superficie a recubrir
Debido a lo anterior este estudio tiene por objeto determinar si el campo magneacutetico influye
o no en las propiedades de adherencia rugosidad y eficiencia de un electrodepoacutesito de niacutequel
Siendo los mayores beneficiarios con este trabajo investigativo el ambiente la industria
galvanoplaacutestica y la comunidad electroquiacutemica
3
Objetivo General
Evaluar el efecto de un campo magneacutetico sobre las propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero bajo carbono especiacuteficamente en un acero AISI 1018
Objetivos Especiacuteficos
1- Elaborar electrodepoacutesitos de niacutequel en acero 1018 con y sin presencia de campo magneacutetico
2- Evaluar los electrodepoacutesitos mediante corriente directa y alterna
3- Analizar los electrodepoacutesitos por medio de pruebas fiacutesicas y quiacutemicas
4- Determinar el efecto de un campo magneacutetico en un electrodepoacutesito de niacutequel
4
Hipoacutetesis
El campo magneacutetico provoca una orientacioacuten en los iones yo moleacuteculas del electrolito destinado
a la electrodeposicioacuten con ello se modifican ciertas propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero 1018
5
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico
11 Antecedentes
El efecto de un campo magneacutetico sobre la orientacioacuten de las moleacuteculas durante un proceso de
formacioacuten de un producto ha sido muy poco estudiado En la industria se encuentran algunos casos
sin que haya reportes formales A continuacioacuten se discutiraacuten algunos de ellos
El ldquoFuel Energy Saverrdquo (Figura 11) es un producto de la compantildeiacutea mexicana ldquoEnergy
Saverrdquo se trata de un inductor de resonancia magneacutetica de alta potencia que genera frecuencias
especiacuteficas la cual fractura las cadenas de hidrocarburos alineando y haciendo todas las moleacuteculas
maacutes accesibles al oxiacutegeno lo que se traduce en una mejor combustioacuten con el consiguiente ahorro
de combustible y reduccioacuten de contaminacioacuten [8] Es aplicable para cualquier tipo de combustible
(gas natural gas LP dieacutesel combustoacuteleo gasoacuteleo) y puede ser usado en todo equipo de iacutendole
industrial (hornos calderas calentadores secadores estufas)
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver
Algunas empresas del ramo automotriz (por ejemplo Mercedes Benz) estaacuten empleando el
principio del FES para que por medio un campo magneacutetico se orienten las moleacuteculas del
combustible y de oxiacutegeno antes de que eacutestas sean consumidas La explicacioacuten a este fenoacutemeno fue
dada por Kita amp Kulish [9] que consiste en lo siguiente el combustible se consumiraacute a medida que
haya oxiacutegeno disponible Si en lugar de que el oxiacutegeno se alimente de manera ldquodesordenadardquo eacuteste
pudiera ser orientado antes de entrar a la caacutemara de combustioacuten se lograriacutea un mejor consumo de
combustible-oxiacutegeno lo cual se traduce en mayor potencia en el motor y un mejor
aprovechamiento del combustible es decir habriacutea menor cantidad de contaminantes (NOx y CO2)
en el escape
6
Otro ejemplo del uso de campos magneacuteticos se puede encontrar en la formacioacuten de
calcaacutereos en intercambiadores de calor La industria que sufre de formacioacuten de dichos productos
tambieacuten ha encontrado beneficios con el uso de un campo magneacutetico colocado en el depoacutesito de
agua y se observa que los productos calcaacutereos se desvanecen tal como se aprecia en la Figura 12
La explicacioacuten a este efecto se atribuye nuevamente a la reorientacioacuten de las moleacuteculas dando como
consecuencia una estructura amorfa en lugar de una cristalina caracteriacutestica de los calcaacutereos [10]
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes (izq)
Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico aplicado
Por el lado de las investigaciones cientiacuteficas se tiene el anaacutelisis del efecto de un campo
magneacutetico de 12 T en la electrodeposicioacuten y estructura de las aleaciones cobalto-tungsteno con
ello Zielinski [11] pudo establecer que la aplicacioacuten del campo magneacutetico cambioacute la composicioacuten
quiacutemica y la morfologiacutea de las aleaciones Co-W
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas (izq) Con
campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
7
De la misma manera Ferreira y Colnago [12] estudiaron la influencia del campo magneacutetico
de una resonancia magneacutetica nuclear (RMN) durante la reaccioacuten electroliacutetica del cobre Sus
resultados fueron exitosos pues la reaccioacuten en presencia de un campo magneacutetico de 023 T tuvo
un rendimiento del doble que la de la reaccioacuten en ausencia de dicho campo
Finalmente pero no menos importantes Calivar [13] con su creacioacuten de modelos de
conveccioacuten magneacutetica en electrodeposicioacuten de peliacuteculas delgadas de cobre y tambieacuten Ispas [14]
con su estudio del efecto de un campo magneacutetico de 05 T en la electrodeposicioacuten de la aleacioacuten
Ni-Fe Ambos llegaron a la misma conclusioacuten un campo magneacutetico provoca una conveccioacuten en el
fluido el cual provoca una contribucioacuten adicional de masa-transporte
12 Generalidades
121 El campo magneacutetico
Se trata de un campo que ejerce fuerzas (denominadas magneacuteticas) sobre los materiales Es una
magnitud vectorial pero no produce ninguacuten efecto sobre cargas en reposo (como siacute lo hace el
campo eleacutectrico doacutende las acelera a traveacutes de la fuerza eleacutectrica) Sin embargo el campo magneacutetico
siacute tiene influencia sobre cargas eleacutectricas en movimiento [15]
Por ejemplo en el estado soacutelido si una carga en movimiento atraviesa un campo magneacutetico
la misma sufre la accioacuten de una fuerza magneacutetica que no modifica la velocidad pero siacute la
trayectoria Cabe mencionar que en el estado liacutequido o en el estado gaseoso el efecto del campo
magneacutetico no estaacute bien definido
Figura 14 El campo magneacutetico
8
La unidad de campo magneacutetico en el Sistema Internacional es el tesla (T) Un tesla se define
como el campo magneacutetico que ejerce una fuerza de 1 N (newton) sobre una carga de 1 C (coulomb)
que se mueve a velocidad de 1 ms dentro del campo
122 Definicioacuten de corrosioacuten
Se denomina corrosioacuten al ataque destructivo de un material generalmente metaacutelico por reaccioacuten
quiacutemica o electroquiacutemica con su medio ambiente (atmoacutesfera suelo agua etc)
La reaccioacuten baacutesica de corrosioacuten es
M Mn+ + ne-
De acuerdo con ello tambieacuten es posible definir la corrosioacuten desde un punto de vista maacutes
electroquiacutemico como el traacutensito de un metal de su forma elemental a su forma ioacutenica o combinada
con una respectiva cesioacuten de electrones [16] Dicho de otra manera el metal a traveacutes de la
corrosioacuten retorna a su forma combinada formando oacutexidos sulfuros hidroacutexidos etc Pues asiacute es
como los metales se encuentran habitualmente en la naturaleza por tratarse de formas
termodinaacutemicamente maacutes estables
El proceso de corrosioacuten es natural y espontaacuteneo y cuanto mayor es la energiacutea gastada en la
obtencioacuten del metal a partir del mineral tanto maacutes es la tendencia del metal a regresar a su forma
basal es decir mucho maacutes favorecida termodinaacutemicamente estaacute la reaccioacuten de oxidacioacuten
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten
Tradicionalmente se establecen dos procesos baacutesicos de ataques corrosivos atendiendo al medio
en el que se producen
Corrosioacuten seca
Corrosioacuten huacutemeda
1231 Corrosioacuten seca
Tiene lugar cuando el material se encuentra sometido a la accioacuten de gases principalmente a
temperaturas elevadas por lo que no se tiene un electrolito condensado Este tipo de corrosioacuten es
la que se produce en calderas sobrecalentadores reactores etc en la parte que estaacute en contacto
con los productos de combustioacuten
9
En la corrosioacuten seca los oacutexidos que se forman son de caraacutecter ioacutenico (cationes metaacutelicos y
aniones de oacutexido regularmente distribuidos) La estructura cristalina formada presenta
normalmente defectos reticulares (deficiencias ioacutenicas) a traveacutes de los cuales se produce la
difusioacuten de iones
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca
1232 Corrosioacuten huacutemeda
Tiene lugar cuando el material se encuentra en medios acuosos (Figura 16) Se produce
normalmente a temperatura ambiente o no muy elevada Es la maacutes extendida por cuanto afecta a
un sinfiacuten de elementos en los que el material es usado en tanques tuberiacuteas intercambiadores
precalentadores carcasas estructuras buques etc
Todos los procesos de corrosioacuten involucran transferencia de carga (iones y electrones) en
particular en el caso de corrosioacuten huacutemeda eacutesta se da a traveacutes de soluciones acuosas (electrolitos)
las cuales son eleacutectricamente conductoras En general el proceso requiere de tres etapas
1) Oxidacioacuten Los aacutetomos metaacutelicos aumentan su valencia al ceder electrones convirtieacutendose
en iones positivos los cuales pasan al electrolito
2) Transporte de carga Los electrones son transferidos al caacutetodo
3) Reduccioacuten Reaccioacuten donde se consumen los electrones generados en la oxidacioacuten
Este tipo de corrosioacuten es netamente electroquiacutemico ya que es un proceso en el que se llevan
a cabo reacciones de oxidacioacuten y de reduccioacuten de ahiacute que se conozca coacutemo proceso REDOX Cabe
mencionar que se puede favorecer una reaccioacuten u otra en caso de inclinarse por la oxidacioacuten
10
entonces se da la corrosioacuten y si es la reduccioacuten se puede proteger al metal por ejemplo con
electrodepoacutesitos
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda
124 Tipos de ataque por corrosioacuten
Es importante sentildealar que la corrosioacuten huacutemeda presenta dos tipos de ataque corrosioacuten uniforme y
corrosioacuten localizada
a) Corrosioacuten uniforme homogeacutenea o generalizada El ataque se extiende de forma
homogeacutenea sobre toda la superficie metaacutelica y por tanto la peacuterdida de material es
aproximadamente la misma en todos los puntos A este tipo de ataque se le identifica por
crecimiento 2D debido a que se desarrolla preferentemente a lo largo de la superficie Por
consiguiente es relativamente faacutecil estimar la vida uacutetil de los materiales metaacutelicos que lo
sufren
b) Corrosioacuten localizada El ataque no se distribuye de forma homogeacutenea localizaacutendose por
el contrario en determinadas zonas de la superficie metaacutelica A este tipo de ataque se le
conoce por crecimiento 3D debido a que se desarrolla de manera local dando preferencia a
la profundidad maacutes que a la superficie Dentro de este tipo de corrosioacuten existe a su vez
otra clasificacioacuten que se menciona a continuacioacuten
11
a Corrosioacuten por picadura
b Corrosioacuten por hendidura
c Corrosioacuten galvaacutenica
d Corrosioacuten intergranular
e Corrosioacuten bajo tensioacuten
f Corrosioacuten cavitacioacuten
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten
125 Celdas electroquiacutemicas
En corrosioacuten una celda es un dispositivo en el cual se producen reacciones quiacutemicas de oxidacioacuten
y reduccioacuten El aparato se integra de las siguientes partes sustancia que contiene iones (electrolito)
dos electrodos (caacutetodo y aacutenodo) y una conexioacuten eleacutectrica entre ambos electrodos
Existen dos tipos de celdas las electroliacuteticas que requieren un voltaje externo (fuente de
poder) y las electroquiacutemicas o galvaacutenicas que solamente necesitan un instrumento para registrar
voltaje Por lo cual se dice que las primeras son no espontaacuteneas y las segundas espontaacuteneas
Termodinaacutemicamente una reaccioacuten espontaacutenea presenta una energiacutea libre de Gibbs negativa y la
no espontaacutenea positiva tal como se aprecia en la Tabla 11
12
1251 Celda galvaacutenica
Una celda galvaacutenica (Figura 18) es aquella en la cual la energiacutea quiacutemica es convertida en energiacutea
eleacutectrica por medio de una reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea Esto se debe a que un metal es maacutes activo
y otro maacutes noble aacutenodo y caacutetodo respectivamente seguacuten la serie galvaacutenica por lo que al ser
conectados eleacutectricamente producen un flujo de electrones desde el caacutetodo al aacutenodo Dicho flujo
genera un potencial eleacutectrico que puede ser medido experimentalmente
Los requisitos para que se produzca un proceso de corrosioacuten en una pila galvaacutenica son los
siguientes
1 Dos superficies con distinto potencial electroacutedico
a Una de ellas que constituye al aacutenodo de la reaccioacuten al ceder electrones sufriraacute la
corrosioacuten Es decir aquiacute se lleva a cabo la reaccioacuten de oxidacioacuten Es el polo
negativo
Mdeg Mne- + ne-
b La otra que constituye el caacutetodo ganaraacute los electrones cedidos por el aacutenodo En
esta zona ocurriraacute la reaccioacuten de reduccioacuten Es el polo positivo
Mne- + ne- Mdeg
13
2 Un electrolito conductor ioacutenico que contiene los elementos caracteriacutesticos del medio
corrosivo Es justo aquiacute en el seno de la solucioacuten donde ocurre el transporte de materia
3 Una conexioacuten eleacutectricamente conductora entre el aacutenodo y el caacutetodo para que sea posible
el transporte de carga
Figura 18 Celda galvaacutenica
1252 Celda electroliacutetica
Las celdas electroliacuteticas no son espontaacuteneas por lo que debe aplicarse externamente un potencial
eleacutectrico para que funcionen Al proveer dicha energiacutea se fuerza a que una corriente eleacutectrica pase
por la celda con el fin de generar reacciones quiacutemicas de oacutexido-reduccioacuten en la superficie de los
electrodos de dicha celda Uno de los procesos maacutes conocidos es el electrodepoacutesito de metales
como cobre niacutequel o zinc Es importante puntualizar que aquiacute el aacutenodo estaraacute cargado
positivamente y el caacutetodo negativamente contrario a lo sucedido en las celdas galvaacutenicas
Las partes que conforman a la celda electroliacutetica son las siguientes
1 Electrolito Al igual que en las celdas galvaacutenicas se necesita de un conductor ioacutenico
2 Aacutenodo En este tipo de celdas el aacutenodo posee el polo positivo y aquiacute se lleva a cabo la
oxidacioacuten de la especie electroquiacutemica
3 Caacutetodo Eacuteste es el polo negativo y en eacutel se produce la reduccioacuten de la especie
electroquiacutemica
14
4 Fuente de energiacutea Es quien aplica la energiacutea necesaria para poder invertir el sentido
natural de la corriente dando lugar a una reaccioacuten quiacutemica opuesta a la que se produce
espontaacuteneamente en la pila
Figura 19 Celda electroliacutetica
13 Principios Electroquiacutemicos
131 Electrolitos
Todos los solutos que se disuelven en agua se agrupan en dos categoriacuteas electrolitos y no
electrolitos Un electrolito es una sustancia que cuando se disuelve en agua forma una disolucioacuten
capaz de conducir la electricidad Un no electrolito por lo tanto no conduce la corriente eleacutectrica
cuando se disuelve en agua
1311 Tipos de electrolitos
Los electrolitos se clasifican en fuertes y deacutebiles Los primeros son sustancias que estaacuten casi
completamente disociadas en la solucioacuten e incluyen soacutelidos ioacutenicos y aacutecidos fuertes Los uacuteltimos
poseen enlaces tan fuertes que muy difiacutecilmente se ionizan en solucioacuten permaneciendo la mayor
parte en forma de moleacuteculas las cuales no tienen la capacidad de transportar carga eleacutectrica como
lo hacen los iones Es importante mencionar que los electrolitos por buenos conductores de la
electricidad que puedan ser siempre tendraacuten menor capacidad para conducir la electricidad que los
materiales soacutelidos [17]
15
132 Ley de Ohm
Una de las maacutes importantes caracteriacutesticas eleacutectricas de un material soacutelido es la facilidad con que
transmite una corriente eleacutectrica La ley de Ohm relaciona la corriente (I) o sea el paso de carga
por unidad de tiempo con el voltaje aplicado (V) de la manera siguiente
V = IR
Donde R es la resistencia del material a traveacutes del cual pasa la corriente Las unidades de
V I y R son respectivamente voltios (V) amperios (A) y ohmios (Ω)
133 Leyes de Faraday
En electroquiacutemica es de suma importancia poder determinar la velocidad a la que ocurren las
reacciones de oacutexido-reduccioacuten cuando una corriente atraviesa una interfase soacutelido-electrolito pues
esto trae como consecuencia un transporte de materia resultado de la peacuterdida (oxidacioacuten) o
ganancia (reduccioacuten) de masa en el electrodo de trabajo
Cabe mencionar que las caracteriacutesticas superficiales del electrodo y las interacciones del
electrolito en dicha superficie son las que determinan la velocidad de reaccioacuten de un proceso
electroquiacutemico [18] Sin embargo hay tantos factores que pueden afectar directamente la velocidad
de reaccioacuten que por ello las leyes de Faraday solo son utilizables cuando el proceso controlador es
la transferencia de carga
Con las investigaciones del fiacutesico britaacutenico Michael Faraday (1791-1867) se descubrieron
las relaciones cuantitativas entre la cantidad de electricidad que pasa a traveacutes de una solucioacuten y la
cantidad de materia separada o precipitada en los electrodos Es decir con dichas expresiones es
posible calcular el transporte de materia en la interfase soacutelido-electrolito [16]
Primera Ley La masa de un ion liberado o depositado en un electrodo es proporcional a
la cantidad de electricidad que pase a traveacutes de la solucioacuten
Ec 11
16
m = 119868119905119875119860
119899119865
Donde PA es el peso atoacutemico la I la corriente en Amperes t el tiempo que pasa dicha carga
en segundos n el nuacutemero de equivalentes involucrados y F la constante de Faraday
Segunda Ley Las cantidades de sustancias liberadas o depositadas por una cantidad de
electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes Aplica cuando una misma
cantidad de electricidad atraviesa distintos electrolitos es decir cuando el proceso se lleva a cabo
en serie
1198981
1198901=
1198982
1198902
Donde m1 y m2 son las masas depositadas y e1 y e2 son los equivalentes quiacutemicos El
equivalente quiacutemico es la relacioacuten entre el peso atoacutemico y el nuacutemero de oxidacioacuten del compuesto
en cuestioacuten
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary
La ecuacioacuten de Stern-Geary establece la relacioacuten entre la densidad de corriente de corrosioacuten (icorr)
es decir la velocidad de corrosioacuten con la resistencia a la polarizacioacuten [19]
119894119888119900119903119903 = 119861
119877119875
119861 = 119887119886119887119888
2303 (119887119886 + 119887119888)
Donde ba y bc son las pendientes de Tafel anoacutedica y catoacutedica respectivamente
La constante B en la ecuacioacuten sirve para presentar una relacioacuten existente entre las
pendientes de Tafel Para que la ecuacioacuten de Stern-Geary sea aplicable es imperativo que exista
comportamiento tafeliano en el sistema electroquiacutemico
Ec 12
Ec 13
Ec 14
Ec 15
17
14 Control de la corrosioacuten
Baacutesicamente todos los meacutetodos que existen para lograr controlar la corrosioacuten de los materiales
metaacutelicos son intentos para interferir con el mecanismo de corrosioacuten de tal manera que se pueda
hacer que eacuteste sea lo maacutes ineficiente posible Dado que para que exista un proceso de corrosioacuten
debe formarse una pila o celda de corrosioacuten ademaacutes de una diferencia de potencial entre los
electrodos o zonas anoacutedicas y catoacutedicas la eliminacioacuten de alguno de los componentes esenciales
de la mencionada pila podriacutea llegar a detener el proceso [20]
En la praacutectica existen tres maneras de lograr lo anterior y enseguida se explicaraacute en queacute
consiste cada una Sin embargo es muy importante sentildealar que ninguacuten meacutetodo elimina la
corrosioacuten sino que todos disminuyen la velocidad de la reaccioacuten de oxidacioacuten ya que el metal
siempre buscaraacute la condicioacuten de miacutenima energiacutea que es la formacioacuten de oacutexidos e hidroacutexidos
141 Proteccioacuten catoacutedica
Se debe recordar que toda estructura propensa a corroerse presenta zonas catoacutedicas y anoacutedicas
siendo estas uacuteltimas aquellas aacutereas donde se lleva a cabo la corrosioacuten Pero si todas las aacutereas
anoacutedicas se pudieran convertir en catoacutedicas la estructura completa funcionariacutea como caacutetodo y la
corrosioacuten se disminuiriacutea considerablemente [21] Ese es el mecanismo de accioacuten de la proteccioacuten
catoacutedica y se puede llevar a cabo de dos maneras tal como lo muestra la Figura 110
Por corriente impresa La proteccioacuten se logra aplicando una corriente externa a partir de
un rectificador que suministra corriente continua de bajo voltaje El terminal positivo de la
fuente de corriente se conecta a un aacutenodo auxiliar (grafito por ejemplo) localizado a una
determinada distancia de la estructura a proteger y el terminal negativo se conecta a la
estructura metaacutelica
Por aacutenodos de sacrificio El metal a proteger se conecta a otro metal menos noble seguacuten
la serie galvaacutenica que actuaraacute como aacutenodo en la celda de corrosioacuten En ese caso la
estructura actuaraacute como caacutetodo y quedaraacute protegida por el ldquosacrificiordquo del aacutenodo que se
corroeraacute
18
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de sacrificio de
magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
142 Inhibidores de corrosioacuten
Los inhibidores son sustancias orgaacutenicas o inorgaacutenicas que se agregan a la solucioacuten corrosiva con
el fin de disminuir su poder de ataque y asiacute reducir la velocidad de corrosioacuten Se puede decir que
un inhibidor es un calmante de la corrosioacuten pues como ya se mencionoacute con anterioridad ninguacuten
meacutetodo la elimina en su totalidad
El comportamiento de los inhibidores puede ser muchas veces peligroso ya que en funcioacuten
de la concentracioacuten pueden jugar tanto el papel de inhibidores como de estimuladores de la
corrosioacuten [21]
Los hay de dos tipos aunque a veces se utiliza una combinacioacuten de ambos
1) Inhibidores anoacutedicos Actuacutean formando un compuesto insoluble el cual precipita en los
lugares afectados por la peacuterdida de materia evitando la reaccioacuten anoacutedica y por lo tanto
inhibe la corrosioacuten Ejemplos hidroacutexido soacutedico carbonato silicato y borato de sodio
ciertos fosfatos cromato soacutedico nitrito y benzoato de sodio etc
2) Inhibidores catoacutedicos Actuacutean sobre toda la superficie formando una capa o peliacutecula de
alta resistencia eleacutectrica la cual funciona como una barrera para la corriente de corrosioacuten
Ejemplos sulfato de zinc sulfato de magnesio bicarbonato de calcio etc
143 Recubrimientos protectores
Los recubrimientos representan la primera liacutenea en la lucha contra la corrosioacuten Los recubrimientos
sea cual fuere su tipo no mejoran las caracteriacutesticas mecaacutenicas del elemento sin embargo
preservan su resistencia e integridad Sus objetivos pueden ser variados siendo el principal aislar
la estructura del medio agresivo con el que se encuentra en contacto (agua suelo y atmoacutesfera por
lo general) aunque tambieacuten cumplen en ocasiones fines cosmeacuteticos
19
En general se emplean bajo condiciones muy amplias como puede ser exposicioacuten
atmosfeacuterica inmersioacuten en agua estructuras enterradas elementos sometidos a quiacutemicos etc Los
recubrimientos representan la uacuteltima etapa de los procesos de fabricacioacuten de cualquier pieza
sistema o equipo siendo normalmente aplicados antes del ensamble [21] Existe por lo tanto una
amplia gama de materiales que pueden ser utilizados como recubrimientos de los metales
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos
Orgaacutenicos Los recubrimientos orgaacutenicos son poliacutemeros y resinas producidas en forma
natural o sinteacutetica generalmente formulados para aplicarse como liacutequidos que se secan o
endurecen como peliacuteculas delgadas en materiales del sustrato Por ejemplo las pinturas
Inorgaacutenicos Los recubrimientos inorgaacutenicos proporcionan acabados tersos y maacutes
duraderos los maacutes usados son el vidrio y los ceraacutemicos
Metaacutelicos Los recubrimientos metaacutelicos se aplican mediante capas finas que funcionen
como aacutenodos sacrificables que puedan ser corroiacutedos en lugar del metal subyacente Por
ejemplo Niquelado cromado galvanizado electroliacutetico inmersioacuten en caliente etc
15 Galvanoplastia
La galvanoplastia es una teacutecnica que proporciona un recubrimiento metaacutelico a una estructura que
deseamos proteger El elemento adherido modifica las propiedades superficiales del material sobre
el cual se depositan promoviendo caracteriacutesticas que son imposibles de obtener en el metal base
Es un meacutetodo que se fundamenta en la electroacutelisis para asiacute cubrir un metal base con un fina
capa de otro metal ya sea cobre niacutequel cromo oro plata con el fin de embellecerlo o impartirle
resistencia a la corrosioacuten
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten
La electrodeposicioacuten puede ser de un solo metal de capas de diferentes metales o de una aleacioacuten
(por ejemplo latoacuten) Los metales maacutes utilizados para electrodepoacutesito son en orden de importancia
zinc niacutequel estantildeo y cadmio [22] Tambieacuten es usual recubrir con oro plata y platino En el caso
de aleaciones es comuacuten la aplicacioacuten de Babbitts (aleaciones Pb-Sn) Es conveniente mencionar
que la mayoriacutea de los metales se pueden depositar por eacuteste procedimiento
20
En teacuterminos simples este proceso consiste en la inmersioacuten de la parte a recubrir en un
electrolito que contenga iones del metal a depositar para asiacute proceder al paso de una corriente
directa que permita el depoacutesito en la pieza (caacutetodo) donde los iones son repuestos por la accioacuten de
la propia corriente sobre el aacutenodo
Pero iquestcoacutemo sucede realmente el fenoacutemeno de la electrodeposicioacuten A continuacioacuten se
daraacute una explicacioacuten maacutes detallada sin embargo solo las reacciones en el caacutetodo seraacuten presentadas
ya que en general las reacciones en un aacutenodo soluble seraacuten las inversas de aquellas presentes en
el caacutetodo
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre
Suponga una solucioacuten de una sal metaacutelica tal como el sulfato de cobre (Figura 111) la sal
se disocia considerablemente formando cationes cargados positivamente y aniones cargados
negativamente como ya se ha mencionado anteriormente El agua presente se disocia un poco para
formar iones hidroacutegeno e hidroxilo Todo aacutecido sulfuacuterico presente se disocia tambieacuten en iones
hidroacutegeno y en iones ya sea HSO4- o ya sea SO4
-2 La mayor parte de estos iones estaacuten hidratados
o sea que se encuentran combinados con una o maacutes moleacuteculas de agua
Cuando se aplica un potencial a dos electrodos en una solucioacuten asiacute los cationes cargados
positivamente emigran hacia el caacutetodo y los aniones negativos se mueven hacia el aacutenodo En una
solucioacuten acidificada la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es relativamente alta y la de los iones
hidroxilo es muy baja En virtud de que los iones hidroacutegeno se mueven maacutes raacutepidamente que los
iones cobre la mayor parte de la corriente es llevada hacia el caacutetodo por los iones hidroacutegeno Sin
embargo es maacutes faacutecil descargar los iones cobre asiacute que praacutecticamente toda la corriente que se usa
en el caacutetodo es para depositar cobre
21
Es difiacutecil representar el proceso implicado en el depoacutesito real de un metal sobre el sustrato
El caacutetodo se encuentra cargado negativamente o sea tiene una concentracioacuten de electrones
relativamente alta los cuales siempre aprovechan la oportunidad de combinarse con iones cargados
positivamente para asiacute formar los aacutetomos metaacutelicos
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel
El niacutequel (Ni) es un elemento quiacutemico de nuacutemero atoacutemico 28 situado en el grupo 10 de la tabla
perioacutedica de los elementos Es un metal blanco plateado duro maleable y duacutectil que puede
presentar un intenso brillo
Como elemento aleante proporciona resistencia tenacidad y proteccioacuten contra la corrosioacuten
El uso principal del niacutequel como metal es en la electrodeposicioacuten de piezas ya que funge como
protector corrosivo y de desgaste ante otros materiales que suelen ser maacutes susceptibles
ambientalmente tal como el hierro o el acero ademaacutes de embellecer la superficie El niacutequel es un
metal muy poco activo y bajo casi todas las condiciones tiende a resistir manchas y oxidacioacuten [23]
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel
Normalmente los galvanizados de niacutequel se hacen a partir de soluciones aacutecidas variando en un
rango de pH de 15 a 60 Una excepcioacuten es el uso de un bantildeo alcalino amoniacal de niacutequel con un
pH cerca de 9 [22]
A pesar de las muchas foacutermulas de bantildeos de niacutequel casi todas ellas contienen tres componentes
esenciales
Sulfato de niacutequel Constituye la principal fuente de iones niacutequel ademaacutes de controlar los
liacutemites admisibles de densidad de corriente
Cloruro de niacutequel Suministra los iones cloruros necesarios para asegurar la corrosioacuten de
los aacutenodos de niacutequel Tambieacuten es una fuente secundaria de iones niacutequel
Aacutecido boacuterico Actuacutea como agente tampoacuten y para conservar la adhesioacuten del depoacutesito de
niacutequel
A continuacioacuten se enlistan las teacutecnicas principales que se utilizan en los depoacutesitos de niacutequel
[22] Cabe mencionar que las concentraciones exactas y las condiciones de operacioacuten pueden
modificarse pero los valores que se dan pueden servir de guiacutea
22
1 Niacutequel a bantildeo friacuteo diluido
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 09 120 16
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Fluoruro de amonio NH4F 057 65 87
2 Bantildeo caliente Tipo Watts
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 04 45 6
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
pH para operacioacuten a un alto pH 45-55 a un bajo pH 15-30
Temperatura 43deg C (110 degF)
Densidad de corriente 2-7 ampdm2 (20-65 ampft2)
3 Bantildeo de alto sulfato
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 05 70 9
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Sulfato de sodio Na2SO4 10 160 22
Aacutecido boacuterico H3BO3 025 M 15 2
pH 55
Temperatura 20-30 degC (68-86 degF)
Densidad de corriente 15-30 ampdm2 (14-28 ampft2)
4 Bantildeo brillante de niacutequel-cobalto
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
23
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 038 45 6
Sulfato de cobalto CoSO4 7H2O 011 15 2
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
Sulfato de amonio (NH4)2SO4 004 25 03
Formato de niacutequel Ni(COOH)2 067 50 67
Formaldehiacutedo HCHO (40) 25 03
pH 45
Temperatura 55 degC (131 degF)
Densidad de corriente 3 ampdm2 (28 ampft2)
1522 Condiciones de operacioacuten
El caraacutecter del depoacutesito depende de varios factores incluyendo la temperatura la densidad de
corriente el pH la distancia entre los electrodos y la agitacioacuten los cuales se ajustan para producir
recubrimientos gruesos o delgados mates o brillantes suaves o duros duacutectiles o fraacutegiles [22] Cabe
mencionar que los valores oacuteptimos para cada factor variacutean de acuerdo con el tipo del bantildeo por lo
que no es posible dar cifras determinadas En su lugar se indicaraacuten los efectos sobre el caraacutecter de
los depoacutesitos obtenidos
pH La eleccioacuten de pH es regida por el tipo de bantildeo y las propiedades que se desean en el
depoacutesito En general en bantildeos de niacutequel opaco un aumento en el pH especialmente arriba de 50
produce depoacutesitos maacutes duros probablemente como resultado de mayor precipitacioacuten
Reciacuteprocamente los depoacutesitos de bajo pH seraacuten probablemente suaves
Temperatura La ventaja de aplicar altas temperaturas depende de varios factores
incluyendo (1) maacutes elevada solubilidad del niacutequel u otras sales (2) mayor conductividad (3)
reducida polarizacioacuten en ambos electrodos y (4) aumento de eficiencia en el aacutenodo y caacutetodo
Aunque de igual manera se pueden presentar ciertas desventajas (1) aumento de la tendencia a la
precipitacioacuten de impurezas (2) la propensioacuten a coagular agentes abrillantadores (3) vaporizacioacuten
excesiva (4) produccioacuten de depoacutesitos pasivos y (5) menor potencia de depoacutesito
Densidad de corriente La densidad de corriente es dependiente de los dos factores
anteriores A temperatura ambiente especialmente en bantildeos diluidos se emplean densidades de
24
corriente de 5 a 20 Aft2 (05 a 2 Adm2) En bantildeos maacutes fuertes y calientes se pueden usar
densidades de corriente hasta de 60 Aft2 (6 Adm2)
Agitacioacuten El efecto de la agitacioacuten equivale a un aumento en concentracioacuten de niacutequel y a
una disminucioacuten de pH lo que permite densidades de corriente maacutes altas Una desventaja de la
agitacioacuten raacutepida en los bantildeos de niacutequel es que con el movimiento suben a la superficie las partiacuteculas
suspendidas lo que trae consigo un depoacutesito aacutespero
Distancia entre electrodos La elaboracioacuten de recubrimientos con espesor uniforme
depende tambieacuten de la propia disposicioacuten y espacio adecuado de las piezas de trabajo aacutenodo y
caacutetodo Por lo que entre maacutes cercana esteacute la superficie a recubrir del aacutenodo mayor seraacute el espesor
del depoacutesito obtenido
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel
Las propiedades fiacutesicas del niacutequel electrodepositado son de especial intereacutes porque hay una gran
variedad de propiedades el control de las cuales de las cuales crea aplicaciones especiales del
niacutequel por ejemplo en electroformacioacuten Las siguientes propiedades son para depoacutesitos opacos de
niacutequel [22]
Dureza Esta variacutea en los diferentes depoacutesitos de niacutequel cerca de 130 a 430 HB En el bantildeo
tipo Watts se obtuvo un miacutenimo de dureza a un pH de 3 obtenieacutendose depoacutesitos maacutes duros abajo
y arriba de este liacutemite Los depoacutesitos maacutes duros se obtienen con un alto pH
Resistencia a la tensioacuten En general la resistencia a la tensioacuten es casi paralela a la dureza
y va de 56 000 a 160 000 lbplg2 (3 900 a 11 000 kgcm2)
Ductilidad La ductilidad medida por elongacioacuten es casi inversamente proporcional a la
dureza y a la resistencia a la tensioacuten
Resistividad eleacutectrica La resistividad eleacutectrica del niacutequel depositado es influenciada por el
contenido de inclusiones como el oacutexido y el cobalto Se presenta un poco en un pH 3
Composicioacuten Los depoacutesitos de niacutequel contienen oxiacutegeno e hidroacutegeno probablemente
presentes como compuestos baacutesicos del niacutequel como Ni(OH)2 El cloruro puede estar presente en
los depoacutesitos de todos los bantildeos de cloruro Estas inclusiones indudablemente tienen influencia en
la dureza y resistencia a la tensioacuten
25
1524 Niquelado en diferentes metales base
Debido a que el niacutequel es el maacutes extensamente aplicado a numerosos metales base solo algunos
ciclos empleados seraacuten considerados en esta seccioacuten [22]
Niquelado en acero El niacutequel puede ser depositado directamente sobre acero o sobre una
capa delgada o gruesa de cobre Debido a numerosas pruebas de corrosioacuten y a lo demostrado por
la experiencia se sabe que las capas de cobre ejercen menos proteccioacuten que una densidad igual de
niacutequel por lo tanto la tendencia actual es eliminar el cobre
Niquelado en hierro vaciado La dificultad de galvanizar sobre hierro vaciado estaacute
indudablemente asociada con la presencia de carbono liberado o grafito en el hierro Si eacuteste
permanece parcialmente embebido el niacutequel no se deposita tan faacutecilmente sobre el carboacuten o
carburos como en los cristales de hierro Por ello se utiliza una capa de cobre ya que mejora la
adhesioacuten del niacutequel al hierro vaciado La limpieza catoacutedica en caacuteustico fundido es algunas veces
efectiva y la saturacioacuten en aacutecido fluorhiacutedrico puede ayudar Por buena que sea la adhesioacuten del
niacutequel al hierro vaciado no es tan buena como en el acero
Niquelado en cobre y latoacuten La praacutectica maacutes comuacuten es aplicar el niacutequel directamente al
cobre o latoacuten seguido por la acostumbrada capa de cromo Ha sido demostrado concluyentemente
que las capas de cromo aplicadas directamente al latoacuten dan menos proteccioacuten contra la corrosioacuten
que cuando se aplica primero una capa de niacutequel
Niquelado en zinc y vaciados con base de zinc Se ha confirmado por muchas pruebas que
las capas adherentes de niacutequel pueden ser aplicadas directamente a troquelados de zinc usando un
alto-sulfato en bantildeo de niacutequel El principio de este bantildeo es la adicioacuten de suficiente sulfato de sodio
para reducir la actividad del ion niacutequel y aumentar la polarizacioacuten del caacutetodo De este modo se
evita que el zinc pase a la solucioacuten precipitando niacutequel oscuro Este bantildeo de alto sulfato de niacutequel
tiene una excelente conductividad y potencia de depoacutesito
Niquelado en magnesio El galvanizado de niacutequel u otros metales en magnesio o sus
aleaciones se hace difiacutecilmente por la alta actividad del magnesio y su consecuente tendencia a
depositar niacutequel u otros metales pesados por inmersioacuten Debido a la gran diferencia de potenciales
de solucioacuten del magnesio y de metales como el cobre niacutequel o cromo eacutestos pueden galvanizarse
sobre el magnesio cuya corrosioacuten se acelera raacutepidamente si hay algunos poros o discontinuidad en
26
los recubrimientos Mientas no se pueda demostrar que pueden producirse y mantenerse
recubrimientos electroliacuteticos casi impenetrables en el magnesio y sus aleaciones es de dudarse que
estos galvanizados puedan tener una aplicacioacuten industrial
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de materiales consiste en la obtencioacuten de informacioacuten acerca de un material
bajo estudio (composicioacuten estructura morfologiacutea y otras propiedades) a partir de la interaccioacuten de
una sentildeal (eleacutectrica luminosa teacutermica etc) con una porcioacuten de dicho material Por tanto toda
caracterizacioacuten de un material supone una agresioacuten es decir una perturbacioacuten del mismo El
estudio de la respuesta del material a dicha perturbacioacuten tiene la finalidad de dar a conocer las
propiedades del mismo para asiacute predecir si seraacute uacutetil o no en una determinada aplicacioacuten
Se puede asegurar que la ayuda de las nuevas teacutecnicas de caracterizacioacuten y anaacutelisis ha sido
indispensable en el disentildeo siacutentesis y procesado de estos materiales permitiendo un cuidadoso
control de sus propiedades e incluso en muchos casos con la posibilidad de fijar de antemano
alguna de sus caracteriacutesticas
161 Dureza
La dureza es una propiedad de los materiales soacutelidos y se define como la resistencia que oponen
estos materiales a ser deformados Una buena dureza significa generalmente que el material es
resistente al rayado y al desgaste [23]
1611 Ensayo de dureza Vickers
Este ensayo usa un indentador en forma de piraacutemide hecho de diamante Figura 112 (a) El ensayo
se basa en el principio de que las impresiones hechas por este indentador tienen geometriacuteas
similares independientemente de la carga aplicada En consecuencia se aplican varias cargas
dependiendo de la dureza del material a ensayar [24] la dureza Vickers se determina entonces con
la foacutermula
HV = 1854 119865
1198632
Donde F es la fuerza aplicada en kgf y D es la diagonal de la impresioacuten hecha por el
indentador en mm El ensayo Vickers puede usarse para todos los metales porque cuenta con una
de las escalas maacutes amplias entre los ensayos de dureza
Ec 16
27
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante un ensayo de dureza
162 Rugosidad
El acabado superficial de los cuerpos puede presentar errores de forma macro y micro geomeacutetricos
auacuten las superficies consideradas como ldquomuy lisasrdquo muestran cuando son analizadas a escala
sumamente fina una compleja diversidad de particularidades geomeacutetricas [25] Por lo tanto la
rugosidad es el conjunto de irregularidades en una superficie real
1621 El perfiloacutemetro
El rugosiacutemetro o perfiloacutemetro es por mucho el equipo maacutes utilizado en la industria para medir la
rugosidad de componentes comunes El principio de operacioacuten de este equipo es simple una fina
punta en contacto con la superficie a analizar realiza un barrido controlado en liacutenea recta y las
variaciones de alturas se convierten en sentildeales eleacutectricas que son debidamente registradas
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro
28
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB)
En el microscopio electroacutenico de barrido se construyen imaacutegenes aprovechando la emisioacuten de
electrones (electrones secundarios) de una muestra cuando sobre ella incide un haz enfocado de
electrones de alta energiacutea La muestra tambieacuten emite rayos X los cuales pueden ser analizados para
obtener informacioacuten sobre la composicioacuten del material [26] Cada sentildeal del MEB es captada con
un detector apropiado
Los electrones emitidos por la interaccioacuten del haz incidente y la muestra son colectados por
los correspondientes detectores para producir una sentildeal eleacutectrica la cual se utiliza para modular la
intensidad de un haz de electrones que incide en la pantalla de un tubo de rayos catoacutedicos (TRC)
de manera que mediante un barrido sincronizado del haz incidente en la superficie de una muestra
y del haz incidente en la pantalla del TRC se produce la imagen de la muestra [26]
La emisioacuten de electrones y de rayos X de la muestra se origina por las colisiones de
electrones del haz incidente con electrones de los aacutetomos del material de la probeta tal como se
puede observar en la Figura 114
Algunas colisiones son elaacutesticas de modo que algunos electrones del haz primario pueden
salir de la superficie de la muestra sin una significativa peacuterdida de energiacutea estos son los llamados
electrones reflejados Pero la mayoriacutea de las colisiones son inelaacutesticas y entre otros efectos
originan emisioacuten de electrones de baja energiacutea conocidos como electrones secundarios
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y fotones por la
interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
29
1631 Componentes baacutesicos del MEB
Cantildeoacuten de electrones que produce un haz con energiacutea entre 5 keV y 30 keV con un diaacutemetro
efectivo entre 01 microm y 10 microm
Lentes electromagneacuteticas condensadoras que reducen el diaacutemetro del haz de manera que en
la superficie de la muestra se tiene un diaacutemetro apropiado al aumento de la imagen
Apertura final la cual controla la divergencia del haz incidente en la muestra
Una lente objetivo que enfoca el haz en la superficie de la muestra
Sistema de barrido el cual permite la construccioacuten de la imagen en la pantalla del TRC por
el barrido del haz en la superficie de la muestra
Detectores de sentildeales emitidas por la muestra (Electrones secundarios electrones
reflejados rayos X etc)
Tubo de rayos catoacutedicos para presentacioacuten de la imagen
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica es una teacutecnica relativamente nueva que permite obtener
imaacutegenes de superficies a escala molecular [27] El microscopio consta esencialmente de una punta
de Si3N4 montada sobre un fleje Con esta punta se realiza un barrido sobre la superficie de la
muestra la cual se situacutea sobre un escaacutener piezoeleacutectrico El funcionamiento del microscopio se
basa en el control por un ordenador de la fuerza ejercida por la punta durante el barrido (Ver Figura
30
116) En el modo denominado de contacto la fuerza punta-muestra se mantiene constante
mediante un sistema de retroalimentacioacuten basado en los siguientes puntos
1) La variacioacuten de la fuerza punta-muestra se traduce en movimientos verticales y horizontales
del fleje que hacen variar la direccioacuten de un rayo laacuteser incidente sobre eacutel Estos cambios en
la direccioacuten del laacuteser son recogidos por un fotodetector y analizados por un ordenador
2) Los aumentos o disminuciones de fuerza son compensados por el ordenador que enviacutea una
sentildeal al piezoeleacutectrico para que acerque o aleje la muestra a la punta
3) Tanto las variaciones del haz luminoso como los movimientos controlados del
piezoeleacutectrico son convertidos por el ordenador en un mapa topograacutefico de la superficie
Figura 116 Funcionamiento de un MFA
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX)
El meacutetodo de difraccioacuten por rayos X es una herramienta poderosa para investigar la disposicioacuten
ordenada de los aacutetomos o moleacuteculas por medio de la interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica
para producir efectos de interferencia con estructuras comparables en tamantildeo a la longitud de onda
de la radiacioacuten
31
Al igual que con los tipos de radiacioacuten electromagneacutetica la interaccioacuten entre el vector
eleacutectrico de la radiacioacuten X y los electrones de la materia que atraviesa da lugar a una dispersioacuten
Cuando los rayos X son dispersados por el entorno ordenado de un cristal tienen lugar
interferencias (constructivas y destructivas) entre los rayos dispersados ya que las distancias entre
los centros de dispersioacuten son del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la radiacioacuten
La teacutecnica de difraccioacuten de rayos X aplicada al estudio de materiales permite obtener
informacioacuten importante sobre distintos aspectos de los mismos Para recubrimientos [28] eacutesta
teacutecnica es imprescindible para determinar
Tipo de estructura (FCC HCP etc)
Esfuerzos residuales
Microdeformaciones
Tamantildeo de grano
Fases presentes
Proporcioacuten relativa de las fases
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X
El fenoacutemeno de difraccioacuten es la interferencia entre las ondas que se genera cuando hay un objeto
en su trayecto Para comprender mejor esto supoacutengase dos planos reticulares 1 y 2 tal como en la
Figura 117 de un cristal con una distancia d entre ambos converge un haz de rayos X procedente
de A con un aacutengulo de incidencia θ este haz en parte se refleja sobre el primer plano hacia F y
en parte atraviesa y se refleja sobre el plano 2 hacia F3 y asiacute sucesivamente sobre los otros planos
[29]
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X
32
En el punto D se sobrepone un rayo reflejado por el primer plano reticular y el otro del
segundo cuya diferencia de camino despueacutes de la reflexioacuten es CD-ED Si tal diferencia es un
muacuteltiplo entero n de la longitud de onda λ de la radiacioacuten X los dos rayos en D estaraacuten en
concordancia de fase y sobreponieacutendose aumentaraacute su intensidad
Por el contrario si estaacuten en discordancia tenderaacuten a anularse Para que se verifique esta
condicioacuten es necesario que las magnitudes λ d θ y n satisfagan la relacioacuten de la Ley de Bragg
nλ = 2 d sen θ
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP)
La teacutecnica electroquiacutemica llamada Resistencia a la Polarizacioacuten es el resultado de la aproximacioacuten
de bajo campo a la ecuacioacuten de Butler-Volmer y por este motivo se debe aplicar solamente cuando
exista control activacional o por transferencia de carga
Los materiales que son susceptibles de ser evaluados mediante la aplicacioacuten de la RP deben
estar inmersos en electrolitos conductores es decir que la resistividad de las soluciones no sea alta
y deben encontrarse libres de peliacuteculas resistivas
1661 Procedimiento experimental
Para realizar un estudio experimental de Resistencia a la Polarizacioacuten lo mejor es acudir a la norma
ASTM G 59-91 [32] En general los pasos a seguir de acuerdo a la norma son los siguientes
Usar un puente salino que acerque el electrodo de referencia a 2 o 3 mm de la superficie
del electrodo de trabajo
Registrar el potencial de corrosioacuten despueacutes de 5 minutos
Aplicar un potencial 30 mV maacutes negativo que el potencial registrado
Un minuto despueacutes de que se aplique el potencial se inicia un barrido con direccioacuten anoacutedica
a 06 Vh (10 mVmin) registrando el potencial y la corriente continuamente
Terminar el barrido cuando se alcanza un valor de 30 mV positivo que el potencial de
corrosioacuten
Graficar la curva de polarizacioacuten
Determinar graacuteficamente la resistencia a la polarizacioacuten como la tangente a la curva en el
origen de la graacutefica
Ec 17
33
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE)
La teacutecnica de Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica es un meacutetodo electroquiacutemico
utilizado en estudios de corrosioacuten el cual se basa en el uso de una sentildeal de corriente alterna (CA)
que es aplicada a un electrodo (metal en corrosioacuten) y determinando la respuesta correspondiente
En el procedimiento experimental comuacutenmente utilizado se aplica una sentildeal sinusoidal de
voltaje y se mide su respuesta en corriente a diferentes frecuencias aunque es posible aplicar una
pequentildea cantidad de corriente y medir la respuesta del potencial El voltaje la corriente y la
frecuencia son relacionadas por la impedancia en una forma anaacuteloga a la ley de Ohm
V = IZ
Donde Z es la impedancia del circuito A diferencia de la resistencia la impedancia de un
circuito puede depender de la frecuencia aplicada
Cuando se aplica una sentildeal de CA incluso en un sistema de corrosioacuten sencillo se comporta
de manera maacutes complicada que una sola resistencia Pues existe tambieacuten una capacitancia la de la
doble capa electroquiacutemica (Cdl) que es debida a la carga de las especies existentes en la interfase
metal-electrolito y que se encuentra presente en todos los sistemas corrosivos Ademaacutes estaacute la
resistencia de la solucioacuten (Rs) para que se le permita La combinacioacuten de estos tres componentes
proporciona un circuito equivalente simple para un metal que se corroe Dicho circuito es una
combinacioacuten de elementos eleacutectricos tales como resistores y capacitores lo que da la misma
respuesta a sentildeales eleacutectricas como el metal real que se corroe [30] El circuito simple descrito
anteriormente se muestra en la Figura 118
Figura 118 Circuito equivalente simple
Los espectros de impedancia se pueden utilizar para identificar y cuantificar las
capacitancias en el sistema y para separar diferentes resistencias por ejemplo la resistencia de la
solucioacuten y la resistencia a la polarizacioacuten A altas frecuencias la resistencia de la solucioacuten se puede
cuantificar A frecuencias maacutes bajas los diferentes tipos de procesos se producen en diferentes
Ec 18
34
escalas de tiempo (en diferentes frecuencias) y puede ser posible identificar los procesos de
difusioacuten o los fenoacutemenos de adsorcioacuten y desorcioacuten [3031]
1671 Representaciones graacuteficas
Solamente existen dos maneras de representar los valores experimentales de la espectroscopia de
impedancia electroquiacutemica
1 Diagramas de Nyquist Tipo de representacioacuten maacutes comuacuten que consiste en graficar los
valores de la impedancia real frente a los de la impedancia imaginaria Estos diagramas
permiten identificar la resistencia del electrolito la resistencia a la transferencia de carga y
la resistencia a la polarizacioacuten [3031] en la mayor parte de los casos La Figura 119
muestra un ejemplo de este tipo de diagramas
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist
2 Diagramas de Bode En este tipo de representaciones se pueden obtener dos diagramas el
moacutedulo de la impedancia y el aacutengulo de fase (Figura 120) Tambieacuten en funcioacuten de la parte
real o la imaginaria pero en escala logariacutetmica Ambos graacuteficos son particularmente uacutetiles
cuando existen constantes de tiempo con valores muy proacuteximos que no se pueden distinguir
en los diagramas de Nyquist
35
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b) Moacutedulo de
impedancia
1672 Ecuacioacuten de Brug
Como bien se sabe el objetivo de los experimentos de EIS es a menudo extraer la capacitancia de
las peliacuteculas (posiblemente como una funcioacuten del potencial aplicado) y por lo tanto para obtener
informacioacuten sobre las propiedades dieleacutectricassemi-conductoras de dichas peliacuteculas Sin embargo
en diversos sistemas la estimacioacuten de la capacitancia es difiacutecil debido a que un comportamiento
de elemento de fase constante (CPE) se observa en lugar de un comportamiento capacitivo
Brug [33] propuso una foacutermula (Ec 19) que relaciona la resistencia del electrolito (Re) y
la resistencia a la transferencia de carga (Rtc) donde es posible calcular la capacitancia contenida
en el CPE
119862 = 1198761
120572[119877119890minus1 + 119877119905119888minus1]1minus120572
120572
Donde C es la capacitancia Q es el factor de Brug Re es la resistencia del electrolito Rtc
es la resistencia a la transferencia de carga y α es la pendiente de la impedancia calculada a bajas
frecuencias
Ec 19
36
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental
21 Preparacioacuten superficial de muestras
A partir de una laacutemina de acero 1018 de 150 x 1 m se cortaron 48 placas de 10 x 2 cm cada una
con una cizalla ya que se necesitaba que cada muestra fuera perfectamente paralela para el proceso
de electrodeposicioacuten
Las placas de acero presentaban una capa de oacutexido por lo que se siguioacute la norma ASTM
G1 [34] para decapar cada muestra durante 10 minutos en HCl al 50 (Ver figura 21) para
posteriormente lavarse con agua potable y asiacute pasar al lijado con granulometriacutea 180 240 320 400
y 600 Seguido de un lavado con agua destilada para eliminar residuos de material removido y
finalizando con un bantildeo de acetona para retirar cualquier resto de humedad y grasa
Figura 21 Decapado de muestras
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos
Para los electrodepoacutesitos con influencia de un campo magneacutetico se utilizaron dos imanes de
neodimio sin embargo no teniacutean sentildealizacioacuten alguna para diferenciar sus polos ni se conociacutea el
valor del campo Entonces se utilizoacute una bruacutejula para determinar el norte y sur de cada imaacuten asiacute
como se aprecia en la Figura 22
37
Figura 22 Determinacioacuten de los polos
Y el campo magneacutetico se midioacute con un gausiacutemetro Marca RFL modelo 91 (Figura 23)
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico
23 Preparacioacuten del electrolito
Para el proceso de electrodeposicioacuten se empleoacute un bantildeo Watts estaacutendar [35] cuya composicioacuten se
presenta en la Tabla 21
38
Para la deposicioacuten electroliacutetica sin campo se preparoacute un litro de solucioacuten y para la que teniacutea
influencia de campo magneacutetico se hicieron dos litros
24 Obtencioacuten de recubrimientos
Para las electrodeposiciones se utilizoacute una fuente de poder marca Good Will Instrumets modelo
GPR-3510HD En cuya terminal negativa se conectoacute el caacutetodo (acero 1018) y en la positiva el
aacutenodo (niacutequel soacutelido Figura 24) Ambos electrodos se colocaron paralelamente cara con cara
Figura 24 Rondelas de niacutequel
Los electrodepoacutesitos de niacutequel sobre acero 1018 con y sin influencia de campo magneacutetico
se llevaron a cabo a voltaje constante siendo eacuteste de 4 V midiendo la corriente resultante al
finalizar el proceso las muestras se lavaron con agua destilada y se dejaron secar al ambiente Se
realizaron seis condiciones diferentes tal como lo muestra la Tabla 22
En el caso de los electrodepoacutesitos en presencia de campo magneacutetico se utilizaron dos
imanes de Neodimio (Valor fluctuante de 15 a 34 T) los cuales se instalaron en la cuba
electroliacutetica el polo norte cerca del aacutenodo y el polo sur del caacutetodo tal como lo muestra la Figura
25
39
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con imanes de
neodimio
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos
Las muestras electrodepositadas con y sin presencia de campo magneacutetico se fijaron a una celda
de acriacutelico con un aacuterea de exposicioacuten de 133 cm2 en dicha celda se vertioacute una solucioacuten de NaCl
al 3 en peso se colocoacute una tapa y se introdujeron un electrodo de referencia de AgAgCl y un
contra-electrodo de grafito Dicha celda se conectoacute a un potenciostato marca Bio-logic modelo
SP-150 controlado mediante una computadora de escritorio con su respectivo software El
dispositivo utilizado para las pruebas se puede ver en la Figura 26a
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el electrodo de
referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo (ET)
40
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
Se utilizoacute la teacutecnica de RP en modo potenciodinaacutemico en un intervalo de plusmn 20 mVEcorr a una
velocidad de barrido de 01667 mVs haciendo la respectiva curva de polarizacioacuten mediante la
computadora Previo a esto el electrodo de trabajo se dejoacute estabilizar en el electrolito (NaCl al 3
peso) durante 30 minutos
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica
Al teacutermino de la medicioacuten de la RP el electrodo de trabajo se dejoacute a circuito abierto durante 15
minutos Posteriormente se utilizoacute la teacutecnica EIE en un intervalo de frecuencias de 50 kHz a 50
mHz a 7 puntos por deacutecada y 10 mV de perturbacioacuten
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos
Para la caracterizacioacuten superficial las placas se cortaron en una maacutequina dobladora a una medida
de 2 x 2 cm para asiacute poder ingresar a ciertos equipos Se eligioacute una muestra de cada condicioacuten
tanto con y sin influencia de campo magneacutetico
261 Dureza
Los estudios de dureza fueron obtenidos con un microduroacutemetro de Vickers marca
Mitutoyo Colocando las placas en el portamuestras del microscopio se hizo incidir el indentador
de diamante aplicando una carga de 10 kgf durante 20 s para un acero suave [36] Este
procedimiento se realizoacute 5 veces por muestra para obtener un promedio de dureza
262 Rugosidad
Se utilizoacute un rugosiacutemetro marca Mitutoyo modelo Surftest-402 Las muestras se colocaron
en una superficie plana y sobre ella se situoacute el palpador con punta coacutenica tal como lo muestra la
Figura 27 posteriormente se calibroacute dicha punta y entonces el equipo realizoacute un pequentildeo recorrido
sobre la superficie con el que determinoacute la rugosidad de cada muestra en microm
41
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido
Para esta caracterizacioacuten de las placas se utilizoacute el Microscopio Electroacutenico de Barrido de
alto-bajo vaciacuteo Jeol JSM 6610LV con un voltaje de 20 kV y una distancia de trabajo de 10 mm
Las placas se colocaron en un portamuestras (Figura 28) y se analizaron a alto vaciacuteo Las imaacutegenes
se formaron con una sentildeal de electrones secundarios a 500 1000 y 5000X
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
Se utilizoacute un Microscopio de Fuerza Atoacutemica marca Asylum Research modelo Cypher que cuenta
con una punta de silicio que tiene una constante de 2 Nm (conforme se va desgastando va
disminuyendo su valor)
Para las muestras sin influencia de campo magneacutetico se utilizoacute el modo contacto es decir
la fuerza entre la punta y la muestra son constantes En el caso de las muestras con influencia de
campo magneacutetico que mostraron una superficie menos rugosa y maacutes faacutecil de medir
topograacuteficamente se usoacute el modo no contacto por lo que la punta no tocaba la muestra sino que
42
oscilaba a una distancia de entre 1 y 10 nm Todas las imaacutegenes se obtuvieron en un aacuterea de 10 x
10 microm a una velocidad de barrido de 10 Hz escaneando 512 liacuteneas generadas por 512 puntos en
zonas especiacuteficas
265 Difraccioacuten de rayos X
Para esta caracterizacioacuten se utilizoacute un difractoacutemetro de rayos X marca Siemens modelo D5000
Las condiciones de operacioacuten fueron las siguientes velocidad de barrido de 05 s incrementos de
0035cps 35 kV y 25 mA El intervalo de aacutengulo seleccionado fue 2θ = 30 a 120deg que es el
rango donde aparecen la mayoriacutea de los picos caracteriacutesticos del niacutequel [37]
43
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten
Para una mejor comprensioacuten de los resultados eacutestos se presentan de manera comparativa en
funcioacuten del tiempo de electrodeposicioacuten con y sin campo magneacutetico analizando dichos
recubrimientos con las teacutecnicas electroquiacutemicas planteadas en el capiacutetulo de metodologiacutea
experimental tambieacuten se realizaron anaacutelisis del comportamiento de las propiedades fiacutesicas tales
como dureza rugosidad y espesor para determinar la influencia del campo magneacutetico durante la
electrodeposicioacuten de niacutequel
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos
La Figura 31b muestra las reacciones que se llevaron a cabo en el proceso de electrodeposicioacuten
Como ya se sabe en el aacutenodo se lleva a cabo la oxidacioacuten del niacutequel y en el caacutetodo la reduccioacuten
del mismo Sin embargo en el caacutetodo tambieacuten se lleva a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten del
hidroacutegeno ya que el medio usado para la electrodeposicioacuten es aacutecido (pH = 3) por ello la eficiencia
en el caacutetodo no es del 100
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni
311 Caacutelculo de masa depositada
Para conocer la masa de Ni depositada en el acero 1018 se realizaron mediciones de peso antes y
despueacutes de que las placas fueran sometidas al proceso de electrodeposicioacuten Sin embargo como el
aacuterea de electrodepoacutesito no es la misma en todas las placas se compara la masa depositada por
centiacutemetro cuadrado tal como lo muestra la Tabla 31
44
En la tabla 31 se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten de
niacutequel la masa por unidad de aacuterea aumenta Esto se cumple para ambas temperaturas (30degC y 60degC)
y ambas condiciones (sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico) sin embargo se demostraraacute
maacutes adelante que el aumento de masa no es garantiacutea de una reduccioacuten de la velocidad de corrosioacuten
(Grafico 31) Es importante sentildealar que tanto a 30degC como a 60degC la masa de niacutequel disminuye
cuando se utiliza el campo mageacutentico sin embargo a 30degC esto no se cumple debido a que hay un
aumento de masa
312 Eficiencia en corriente
Es importante mencionar que en todos los electrodepoacutesitos la corriente final era menor que la
inicial Dicha caiacuteda de corriente se debioacute a la formacioacuten de una capa de oacutexido en el aacutenodo Figura
32 lo que ocasionoacute una disminucioacuten en la entrega de cationes (Ni2+) a la solucioacuten
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido
La eficiencia en corriente se evaluoacute con la foacutermula del Anexo 1-A y se tomoacute el valor de la
corriente inicial para dicho caacutelculo Los resultados se muestran en la Tabla 32 Mientras que
Ferreira y Colnago [12] reportaron obtener eficiencias del doble para sus peliacuteculas de cobre en
45
este caso se puede notar que la presencia del campo magneacutetico provoca una disminucioacuten en el
rendimiento del sistema
La fuente de poder se debe regular para poder otorgar los 4 V que el proceso de
electrodeposicioacuten requiere y desde el momento en que se enciende el aparato empieza a mandar
corriente Por ello ciertas eficiencias sobrepasan el 100 pues el tiempo de ajuste se excedioacute maacutes
de 50 segundos
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
En la Figura 33 se observan los resultados de la resistencia a la polarizacioacuten en funcioacuten de la
temperatura y del tiempo de exposicioacuten A 60degC se observa que el campo magneacutetico provoca una
disminucioacuten de la resistencia a la polarizacioacuten para los diferentes tiempos de electrodepoacutesito
realizados lo cual se traduce en un aumento de la velocidad de corrosioacuten de acuerdo con la
ecuacioacuten de Stern y Geary (Ec 14) Este efecto de disminucioacuten de la Rp tambieacuten se observa en
los datos a 30degC con excepcioacuten del tiempo 7 minutos
46
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal
En la Tabla 33 se presentan las variaciones de icorr y Vcorr sin campo magneacutetico y en
presencia de campo magneacutetico a 30deg y 60deg en funcioacuten del tiempo de electrodepoacutesito
En la Graacutefica 31 se puede observar que a 60degC con mayor tiempo de electrodeposicioacuten de
Ni disminuye la Vcorr Sin embargo se puede notar que con la presencia del campo las velocidades
de corrosioacuten son mayores pero respetando la tendencia antes mencionada
60degC17min CM
60degC17min SC
60degC12min CM
60degC12min SC
60degC7min CM
60degC7min SC
30degC17min CM
30degC17min SC
30degC12min CM
30degC12min SC
30degC7min CM
30degC7min SC
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Rp (Ohm cm2)
47
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de electrodeposicioacuten
La tabla 34 muestra los valores de Ecorr para ambas temperaturas (30degC y 60degC) y en las
dos condiciones ensayadas (sin campo y con campo) Sin campo magneacutetico y con excepcioacuten de
30degC y 17 min se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten el Ecorr se
desplaza hacia valores menos negativos al mismo tiempo que la Vcorr disminuye (Tabla 33) De
acuerdo con la Teoriacutea de Potencial Mixto explicada por Evans el sistema se encuentra bajo un
control tipo anoacutedico es decir que la reaccioacuten de oxidacioacuten de niacutequel se desplaza para dar un Ecorr
menos negativo al mismo tiempo que reduce la Vcorr
1198731198942+ + 2119890minus harr 119873119894deg
Sin embargo a 30degC y 17 min el sistema se encuentra bajo control catoacutedico debido a que
persiste la disminucioacuten de Vcorr ahora con un cambio en el potencial hacia valores maacutes negativos
Al comparar los valores de Ecorr sin campo magneacutetico con los de campo magneacutetico se observa que
para la temperatura 60degC los valores de Ecorr se desplazan hacia valores maacutes electronegativos
Como se discutioacute anteriormente esto se debe a un control cineacutetico tipo anoacutedico Cuando se
considera la temperatura de 30degC se observa un desplazamiento hacia valores menos negativos es
7min 12min 17min
000
002
004
006
008
010
Vco
rr (
mm
an
o)
Tiempo de electrodeposicion
60degC Sin campo
60degC Con campo
30degC Sin campo
30degC Con campo
48
decir la cineacutetica estaacute controlada por la reaccioacuten catoacutedica Diversos trabajos reportan este mismo
efecto en donde el campo magneacutetico tiene un efecto sobre la reaccioacuten de reduccioacuten de oxiacutegeno
1198742 + 21198672119874 + 4119890minus harr 4119874119867minus
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica
Como se mencionoacute previamente en el apartado 167 referente a la teacutecnica de impedancia
mediante esta teacutecnica es posible evidenciar y cuantificar el efecto que tiene la capacitancia de una
interface electroquiacutemica y asiacute proporcionar informacioacuten complementaria al estudio de corrosioacuten
Las graacuteficas 32 33 y 34 correspondientes a los diagramas de Nyquist obtenidos en los
tres diferentes tiempos de electrodeposicioacuten a 60degC con y sin influencia de campo magneacutetico
Revelan en los tres casos que el campo magneacutetico disminuye la resistencia a la transferencia de
carga (Rtc) es decir el proceso de corrosioacuten se ve favorecido tal como se pudo mostrar en los
resultados de resistencia a la polarizacioacuten De igual manera se observa una disminucioacuten en la
resistencia del electrolito (Rs) esto debido a la fuerza convectiva (visible) que ejerce el campo
magneacutetico en el electrolito el cual provoca una mejor difusioacuten de los iones dicha informacioacuten es
consistente a lo reportado por Calivar e Ispas [67]
49
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
500
1000
1500
2000 50 mHz
60degC 7min SC
60degC 7min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
1000
2000
3000
50 mHz
60degC 12min SC
60degC 12min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
50 kHz
50 mHz
Re(Z) (Ohm cm2)
50
Graacutefica 34 EIE de 60degC 17min
34 Dureza Rugosidad y Espesor
La Tabla 35 muestra que la aplicacioacuten de un campo magneacutetico durante el proceso de
electrodeposicioacuten de niacutequel provoca que la dureza disminuya lo que significa que el recubrimiento
es menos susceptible a fracturarse este resultado es similar a lo reportado por Zielinski [11] y la
disminucioacuten de fracturas en sus peliacuteculas de Co-W ante la presencia de un campo magneacutetico
Tambieacuten es importante sentildealar que la rugosidad de cada niquelado presentoacute un
empobrecimiento lo que significa que el campo magneacutetico ayuda a obtener recubrimientos maacutes
uniformes
0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000
0
3000
6000
9000
12000
15000
18000 50 mHz
60degC 17min SC
60degC 17min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
51
Los espesores fueron calculados mediante la foacutermula que aparece en el Anexo 1-B y se
puede notar que eacuteste decrece ante la presencia del campo magneacutetico Esto se puede constatar de
igual forma a partir de los datos de impedancia los cuales permitieron calcular los valores de
capacitancia a partir de la ecuacioacuten de Brug (Ec 19) cuyos resultados se muestran en la Tabla
36
Como se puede observar los valores de capacitancia con el campo magneacutetico son mayores
en un orden de magnitud que aquellos donde no existe el campo permitiendo confirmar que el
espesor maacutes delgado se encuentra con la influencia del campo
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
A continuacioacuten se muestran las imaacutegenes topograacuteficas obtenidas en el MFA Con lo cual se puede
corroborar que ocurre una disminucioacuten en la rugosidad de las peliacuteculas de niacutequel con presencia de
campo magneacutetico
52
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC-7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC-12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC-17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
36 Difraccioacuten de Rayos X
Los patrones de difraccioacuten de los recubrimientos de Ni en acero 1018 Figura 37 se caracterizan
por la presencia de los planos de la estructura cuacutebica centrada en las caras de acuerdo al PDF 03-
065-4899 [32] Esta fase cristalina estuvo presente en todos los recubrimientos
De acuerdo con lo reportado por Hu [33] la energiacutea de activacioacuten para la evolucioacuten de
hidroacutegeno es mayor en el plano (111) que en el plano (200) del Ni Dicho de otra manera en el
53
plano (200) habraacute maacutes produccioacuten de hidroacutegeno gaseoso durante el proceso de electrodeposicioacuten
de niacutequel lo que trae consigo posiblemente recubrimientos porosos
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia de campo
magneacutetico
Para los depoacutesitos en presencia de campo magneacutetico a 7 y 12min se observa una orientacioacuten
preferencial en el plano (200) sin embargo el pico a 7min es mucho mayor que el de 12
comparando estos resultados con las pruebas electroquiacutemicas y de acuerdo a los reportado por Hu
[33] esto nos lleva a suponer que en este caso el recubrimiento es maacutes poroso y delgado de acuerdo
a las medidas de espesor (Tabla 35) Para el caso de 17min con campo magneacutetico se tiene una
orientacioacuten preferencial en el plano (111) esta muestra tiene un mejor comportamiento
electroquiacutemico de acuerdo a la Figura 33 ademaacutes de acuerdo a lo reportado por Hu [33] nos lleva
a deducir que este recubrimiento es el menos poroso de los tres con campo magneacutetico Lo anterior
explica por queacute la velocidad de corrosioacuten es mayor a 7min y va disminuyendo conforme aumenta
el tiempo de electrodeposicioacuten Y tambieacuten revela la causa por la que el potencial de corrosioacuten es
maacutes negativo en presencia del campo magneacutetico La porosidad tambieacuten nos explica la razoacuten por la
cual la dureza de los recubrimientos hechos en presencia del campo magneacutetico disminuye con
respecto a aquellos realizados en ausencia del mismo
40 45 50 55 600
4000
8000
12000
16000
20000
17min SC
17min CM
12 min CM
12 min SC
7min CM
Inte
nsid
ad
(U
A)
2 (grados)
60degC-7min SC
60degC-12min SC
60degC-17min SC
60degC-7min CM
60degC-12min CM
60degC-17min CM
Ni
7min SC
(111) (200)
54
La existencia de los poros en el recubrimiento propicia un par galvaacutenico Figura 38 entre
el niquelado electroliacutetico y el acero 1018 ya que este uacuteltimo es maacutes electronegativo por
consiguiente maacutes propenso a la corrosioacuten Tambieacuten estaacute el efecto de las diferencias de aacutereas entre
aacutenodo (acero) y caacutetodo (niquelado) siendo en este caso el caacutetodo quien posee mayor aacuterea de
exposicioacuten al ambiente es el aacutenodo quien se corroeraacute maacutes faacutecil y raacutepidamente
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni
37 Microscopia Electroacutenica de Barrido
Las Figuras 39 310 y 311 muestran las imaacutegenes obtenidas en el MEB de los recubrimientos de
Ni a 60degC 7min 12min y 17min respectivamente Se aprecia una morfologiacutea maacutes uniforme con la
presencia de campo magneacutetico y las aglomeraciones de partiacuteculas metaacutelicas son mucho maacutes
grandes que sus homoacutelogos sin influencia del campo
55
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y sin influencia
de campo magneacutetico
56
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min con y sin
influencia de campo magneacutetico
57
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min con y sin
influencia de campo magneacutetico
58
Conclusiones
A partir de los resultados experimentales obtenidos en el presente trabajo se puede concluir lo
siguiente
La eficiencia de electrodepositacioacuten es funcioacuten de la pureza del aacutenodo y de la corriente
aprovechada por la reaccioacuten de reduccioacuten de hidroacutegeno
El aumento en el tiempo de electrodepositacioacuten conduce a un aumento en la masa de niacutequel
electrodepositada esto es vaacutelido para la condicioacuten sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico
sin embargo esto no garantiza la disminucioacuten de Vcorr
Sin campo magneacutetico los resultados obtenidos a 30degC y 60degC muestran que la Vcorr
disminuye conforme el tiempo de electrodepoacutesito de niacutequel aumenta Tambieacuten en ausencia del
campo las Vcorr obtenidas a 30degC son menores comparadas con las Vcorr a 60degC a excepcioacuten de
17 min
Sin campo magneacutetico se observa que la degradacioacuten del niquelado estaacute controlada por una
cineacutetica anoacutedica lo cual es vaacutelido para 30degC y para 60degC con excepcioacuten de 30degC y 17 min donde
la cineacutetica que controla es catoacutedica Asimismo a 30degC con campo magneacutetico se observa que la
cineacutetica que controla el sistema es la catoacutedica lo cual sugiere que la reaccioacuten de reduccioacuten de
oxiacutegeno ser manipulada por el campo magneacutetico
En presencia del campo magneacutetico se encontroacute que la resistencia de la solucioacuten disminuyoacute
tanto a 30degC como a 60degC debido a una fuerza adicional convectiva que provoca el campo
magneacutetico
La Vcorr es dependiente de la cantidad de masa depositada pero tambieacuten del ordenamiento
cristalino que los aacutetomos de niacutequel adquieren al momento del electrodepoacutesito
En presencia del campo magneacutetico las micrografiacuteas MEB revelan superficies con menos
rugosidad respecto a las muestras sin campo magneacutetico
A 60degC hay poca o nula contribucioacuten del campo magneacutetico mientras que a 30degC si hay una
contribucioacuten del campo pero es negativa respecto a la Vcorr
59
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62
Anexo 1 Caacutelculos
1-A Caacutelculo de eficiencia
En la praacutectica la corriente suministrada a un sistema no es aprovechada al 100 pues hay
peacuterdidas de corriente por diversos motivos entre otros
a) Desviacioacuten de corriente por caminos secundarios
b) Impurezas de las soluciones (las cuales dan reacciones secundarias)
c) Resistencia eleacutectrica propia del bantildeo electroliacutetico
d) Peacuterdidas por transformacioacuten de energiacutea eleacutectrica a energiacutea caloriacutefica
e) Fenoacutemenos de polarizacioacuten
Entonces se puede decir que
Eficiencia en corriente = 119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119905119890oacute119903119894119888119886
119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119904119906119898119894119899119894119904119905119903119886119889119886 119903119890119886119897x100
1-B Caacutelculo de Espesor
El meacutetodo maacutes satisfactorio para medir el espesor promedio de una capa es disolverla y determinar
el peso de la misma a partir de una muestra cuya aacuterea se conozca en el caso de este estudio se
pesaron las placas antes y despueacutes del electrodepoacutesito para determinar la masa depositada El
espesor se calcula asiacute a partir del peso y del aacuterea y de la densidad o peso especiacutefico del depoacutesito
utilizando la foacutermula
T (espesor) = 119862119882 (119901119890119904119900)
119860(aacute119903119890119886)times119863(119901119890119904119900 119890119904119901119890119888iacute119891119894119888119900)
En donde C es una constante que depende simplemente de las unidades utilizadas En
unidades meacutetricas la ecuacioacuten se transforma en
T(mm) = 10119882(119892119903)
119860(1198881198982)times119863
63
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 7min
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 12min
-0000006 -0000003 0000000 0000003
-040
-038
-036
-034
-032
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
-0000004 -0000002 0000000 0000002
-035
-034
-033
-032
-031
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
64
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 17min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 7min
-00000006 -00000003 00000000 00000003 00000006
-026
-024
-022
-020
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
-00000027 -00000018 -00000009 00000000 00000009 00000018
-028
-024
-020
-016
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
65
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 12min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 17min
-0000004 -0000002 0000000 0000002 0000004
-038
-036
-034
-032
-030
-028
-026
-024
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
-0000006 -0000003 0000000 0000003 0000006 0000009
-032
-031
-030
-029
-028
-027
-026
-025
-024
-023
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
xiv
Resumen
En este estudio se obtuvieron recubrimientos de niacutequel con y sin presencia de campo magneacutetico a
60degC a 7 12 y 17 min sobre sustratos de acero al carbono AISI 1018 a partir de una solucioacuten tipo
Watts claacutesica Las propiedades de los recubrimientos se estudiaron mediante DRX MEB MFA
duroacutemetro y rugosiacutemetro tambieacuten se estudioacute el comportamiento electroquiacutemico de las peliacuteculas
mediante RP y EIE y ademaacutes se realizaron caacutelculos de capacitancia icorr velocidad de corrosioacuten
y espesor En general el campo magneacutetico tiene una influencia negativa en las propiedades fiacutesicas
y quiacutemicas de un electrodeposito de Ni en acero AISI 1018 Los detalles son discutidos en esta
investigacioacuten
Abstract
In this study nickel coatings were obtained with and without the presence of magnetic field at 60degC
for 7 12 and 17 min on substrates of AISI 1018 carbon steel from a classical type Watts solution
The properties of the coatings were studied by XRD SEM AFM hardness tester and roughness
tester the electrochemical behavior of the films was also studied through RP and EIE and also
capacitance calculations icorr corrosion rate and thickness were made In general the magnetic
field has a negative influence on the physical and chemical properties of an electrodeposited Ni
steel AISI 1018 The details are discussed in this research
1
Introduccioacuten
En los Reactores de agua en ebullicioacuten (BWR por sus siglas en ingleacutes) la radioacutelisis del agua
produce un medio altamente oxidante [1] que genera que los materiales estructurales presenten un
elevado potencial electroquiacutemico de corrosioacuten (PEC) cuando estaacuten en contacto con el agua en el
BWR Este PEC incrementa la propensioacuten a experimentar agrietamiento por corrosioacuten bajo
esfuerzos (SCC) [2] y agrietamiento por corrosioacuten intergranular bajo esfuerzos (IGSCC) [3] en los
materiales de los componentes internos tales como acero inoxidable aleaciones base niacutequel y las
zonas afectadas por el calor (HAZ) propias de un proceso de soldadura Ademaacutes en las condiciones
de alta temperatura del reactor BWR se forma una capa de oacutexido que puede ser hematita en
condiciones de alto oxiacutegeno o magnetita en condiciones de bajo oxiacutegeno Este segundo oacutexido es
un imaacuten por naturaleza por lo que este estudio contribuiraacute ademaacutes a discernir y en dado caso a
explicar si la presencia de un oacutexido magneacutetico o de otro que no lo sea tiene una influencia en la
deposicioacuten de recubrimientos alternos para mitigar el agrietamiento por corrosioacuten bajo esfuerzos
(SCC por sus siglas en ingleacutes) de los materiales de componentes internos de reactores BWR
El electrodepoacutesito de niacutequel sobre una superficie metaacutelica se hace con el fin de proteger las
piezas de la corrosioacuten pues posee buenas propiedades anticorrosivas y buena resistencia al
desgaste Los recubrimientos de niacutequel se utilizan en numerosos sectores industriales electroacutenica
componentes eleacutectricos petroquiacutemica automocioacuten etc [4] Por ello el presente trabajo muestra la
utilizacioacuten de un campo magneacutetico de 15 a 34 T (Valor fluctuante) para la obtencioacuten de
recubrimientos de Ni en acero un acero bajo carbono especiacuteficamente el AISI 1018 Las
propiedades de dichos recubrimientos se evaluaron mediante teacutecnicas electroquiacutemicas como Rp y
EIE para determinar las velocidades de corrosioacuten de las peliacuteculas De igual manera se estudiaron
los recubrimientos mediante DRX MEB y MFA Para finalmente establecer la influencia positiva
o negativa de dicho campo magneacutetico en los procesos de deposicioacuten electroliacutetica
2
Justificacioacuten
Para mitigar el SCC de los componentes internos de los BWR [5] en la actualidad se antildeaden sales
como precursores metaacutelicos por ejemplo Na2Pt(OH)6 que se transforman en partiacuteculas metaacutelicas
al entrar en contacto con el acero debido a la diferencia de potencial entre Fe y Pt [6] adhirieacutendose
al acero estructural por medio de procesos de precipitacioacuten Estas partiacuteculas catalizan las reacciones
de recombinacioacuten de especies oxidantes disminuyendo los procesos de corrosioacuten del acero sin
embargo los catalizadores basados en Pt tienen el inconveniente de costo elevado [7]
En este sentido una posible opcioacuten es la electrodeposicioacuten de un metal sobre la superficie
que se interesa proteger pero la efectividad de estos depoacutesitos depende de la preparacioacuten de la
superficie y de aspectos teacutecnicos ya estandarizados en normativas por ejemplo la Norma ISO
1458-1974 ldquoMetallic coatingsrdquo Si bien son de los mejores meacutetodos para proteger un metal auacuten
presentan diversas anomaliacuteas que generan superficies porosas falta de cohesioacuten y peliacuteculas
amorfas lo que conlleva a altos costos de produccioacuten debido a que se debe repetir el proceso y
contaminacioacuten ambiental a causa de los reactivos quiacutemicos usados para limpiar nuevamente la
superficie a recubrir
Debido a lo anterior este estudio tiene por objeto determinar si el campo magneacutetico influye
o no en las propiedades de adherencia rugosidad y eficiencia de un electrodepoacutesito de niacutequel
Siendo los mayores beneficiarios con este trabajo investigativo el ambiente la industria
galvanoplaacutestica y la comunidad electroquiacutemica
3
Objetivo General
Evaluar el efecto de un campo magneacutetico sobre las propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero bajo carbono especiacuteficamente en un acero AISI 1018
Objetivos Especiacuteficos
1- Elaborar electrodepoacutesitos de niacutequel en acero 1018 con y sin presencia de campo magneacutetico
2- Evaluar los electrodepoacutesitos mediante corriente directa y alterna
3- Analizar los electrodepoacutesitos por medio de pruebas fiacutesicas y quiacutemicas
4- Determinar el efecto de un campo magneacutetico en un electrodepoacutesito de niacutequel
4
Hipoacutetesis
El campo magneacutetico provoca una orientacioacuten en los iones yo moleacuteculas del electrolito destinado
a la electrodeposicioacuten con ello se modifican ciertas propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero 1018
5
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico
11 Antecedentes
El efecto de un campo magneacutetico sobre la orientacioacuten de las moleacuteculas durante un proceso de
formacioacuten de un producto ha sido muy poco estudiado En la industria se encuentran algunos casos
sin que haya reportes formales A continuacioacuten se discutiraacuten algunos de ellos
El ldquoFuel Energy Saverrdquo (Figura 11) es un producto de la compantildeiacutea mexicana ldquoEnergy
Saverrdquo se trata de un inductor de resonancia magneacutetica de alta potencia que genera frecuencias
especiacuteficas la cual fractura las cadenas de hidrocarburos alineando y haciendo todas las moleacuteculas
maacutes accesibles al oxiacutegeno lo que se traduce en una mejor combustioacuten con el consiguiente ahorro
de combustible y reduccioacuten de contaminacioacuten [8] Es aplicable para cualquier tipo de combustible
(gas natural gas LP dieacutesel combustoacuteleo gasoacuteleo) y puede ser usado en todo equipo de iacutendole
industrial (hornos calderas calentadores secadores estufas)
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver
Algunas empresas del ramo automotriz (por ejemplo Mercedes Benz) estaacuten empleando el
principio del FES para que por medio un campo magneacutetico se orienten las moleacuteculas del
combustible y de oxiacutegeno antes de que eacutestas sean consumidas La explicacioacuten a este fenoacutemeno fue
dada por Kita amp Kulish [9] que consiste en lo siguiente el combustible se consumiraacute a medida que
haya oxiacutegeno disponible Si en lugar de que el oxiacutegeno se alimente de manera ldquodesordenadardquo eacuteste
pudiera ser orientado antes de entrar a la caacutemara de combustioacuten se lograriacutea un mejor consumo de
combustible-oxiacutegeno lo cual se traduce en mayor potencia en el motor y un mejor
aprovechamiento del combustible es decir habriacutea menor cantidad de contaminantes (NOx y CO2)
en el escape
6
Otro ejemplo del uso de campos magneacuteticos se puede encontrar en la formacioacuten de
calcaacutereos en intercambiadores de calor La industria que sufre de formacioacuten de dichos productos
tambieacuten ha encontrado beneficios con el uso de un campo magneacutetico colocado en el depoacutesito de
agua y se observa que los productos calcaacutereos se desvanecen tal como se aprecia en la Figura 12
La explicacioacuten a este efecto se atribuye nuevamente a la reorientacioacuten de las moleacuteculas dando como
consecuencia una estructura amorfa en lugar de una cristalina caracteriacutestica de los calcaacutereos [10]
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes (izq)
Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico aplicado
Por el lado de las investigaciones cientiacuteficas se tiene el anaacutelisis del efecto de un campo
magneacutetico de 12 T en la electrodeposicioacuten y estructura de las aleaciones cobalto-tungsteno con
ello Zielinski [11] pudo establecer que la aplicacioacuten del campo magneacutetico cambioacute la composicioacuten
quiacutemica y la morfologiacutea de las aleaciones Co-W
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas (izq) Con
campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
7
De la misma manera Ferreira y Colnago [12] estudiaron la influencia del campo magneacutetico
de una resonancia magneacutetica nuclear (RMN) durante la reaccioacuten electroliacutetica del cobre Sus
resultados fueron exitosos pues la reaccioacuten en presencia de un campo magneacutetico de 023 T tuvo
un rendimiento del doble que la de la reaccioacuten en ausencia de dicho campo
Finalmente pero no menos importantes Calivar [13] con su creacioacuten de modelos de
conveccioacuten magneacutetica en electrodeposicioacuten de peliacuteculas delgadas de cobre y tambieacuten Ispas [14]
con su estudio del efecto de un campo magneacutetico de 05 T en la electrodeposicioacuten de la aleacioacuten
Ni-Fe Ambos llegaron a la misma conclusioacuten un campo magneacutetico provoca una conveccioacuten en el
fluido el cual provoca una contribucioacuten adicional de masa-transporte
12 Generalidades
121 El campo magneacutetico
Se trata de un campo que ejerce fuerzas (denominadas magneacuteticas) sobre los materiales Es una
magnitud vectorial pero no produce ninguacuten efecto sobre cargas en reposo (como siacute lo hace el
campo eleacutectrico doacutende las acelera a traveacutes de la fuerza eleacutectrica) Sin embargo el campo magneacutetico
siacute tiene influencia sobre cargas eleacutectricas en movimiento [15]
Por ejemplo en el estado soacutelido si una carga en movimiento atraviesa un campo magneacutetico
la misma sufre la accioacuten de una fuerza magneacutetica que no modifica la velocidad pero siacute la
trayectoria Cabe mencionar que en el estado liacutequido o en el estado gaseoso el efecto del campo
magneacutetico no estaacute bien definido
Figura 14 El campo magneacutetico
8
La unidad de campo magneacutetico en el Sistema Internacional es el tesla (T) Un tesla se define
como el campo magneacutetico que ejerce una fuerza de 1 N (newton) sobre una carga de 1 C (coulomb)
que se mueve a velocidad de 1 ms dentro del campo
122 Definicioacuten de corrosioacuten
Se denomina corrosioacuten al ataque destructivo de un material generalmente metaacutelico por reaccioacuten
quiacutemica o electroquiacutemica con su medio ambiente (atmoacutesfera suelo agua etc)
La reaccioacuten baacutesica de corrosioacuten es
M Mn+ + ne-
De acuerdo con ello tambieacuten es posible definir la corrosioacuten desde un punto de vista maacutes
electroquiacutemico como el traacutensito de un metal de su forma elemental a su forma ioacutenica o combinada
con una respectiva cesioacuten de electrones [16] Dicho de otra manera el metal a traveacutes de la
corrosioacuten retorna a su forma combinada formando oacutexidos sulfuros hidroacutexidos etc Pues asiacute es
como los metales se encuentran habitualmente en la naturaleza por tratarse de formas
termodinaacutemicamente maacutes estables
El proceso de corrosioacuten es natural y espontaacuteneo y cuanto mayor es la energiacutea gastada en la
obtencioacuten del metal a partir del mineral tanto maacutes es la tendencia del metal a regresar a su forma
basal es decir mucho maacutes favorecida termodinaacutemicamente estaacute la reaccioacuten de oxidacioacuten
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten
Tradicionalmente se establecen dos procesos baacutesicos de ataques corrosivos atendiendo al medio
en el que se producen
Corrosioacuten seca
Corrosioacuten huacutemeda
1231 Corrosioacuten seca
Tiene lugar cuando el material se encuentra sometido a la accioacuten de gases principalmente a
temperaturas elevadas por lo que no se tiene un electrolito condensado Este tipo de corrosioacuten es
la que se produce en calderas sobrecalentadores reactores etc en la parte que estaacute en contacto
con los productos de combustioacuten
9
En la corrosioacuten seca los oacutexidos que se forman son de caraacutecter ioacutenico (cationes metaacutelicos y
aniones de oacutexido regularmente distribuidos) La estructura cristalina formada presenta
normalmente defectos reticulares (deficiencias ioacutenicas) a traveacutes de los cuales se produce la
difusioacuten de iones
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca
1232 Corrosioacuten huacutemeda
Tiene lugar cuando el material se encuentra en medios acuosos (Figura 16) Se produce
normalmente a temperatura ambiente o no muy elevada Es la maacutes extendida por cuanto afecta a
un sinfiacuten de elementos en los que el material es usado en tanques tuberiacuteas intercambiadores
precalentadores carcasas estructuras buques etc
Todos los procesos de corrosioacuten involucran transferencia de carga (iones y electrones) en
particular en el caso de corrosioacuten huacutemeda eacutesta se da a traveacutes de soluciones acuosas (electrolitos)
las cuales son eleacutectricamente conductoras En general el proceso requiere de tres etapas
1) Oxidacioacuten Los aacutetomos metaacutelicos aumentan su valencia al ceder electrones convirtieacutendose
en iones positivos los cuales pasan al electrolito
2) Transporte de carga Los electrones son transferidos al caacutetodo
3) Reduccioacuten Reaccioacuten donde se consumen los electrones generados en la oxidacioacuten
Este tipo de corrosioacuten es netamente electroquiacutemico ya que es un proceso en el que se llevan
a cabo reacciones de oxidacioacuten y de reduccioacuten de ahiacute que se conozca coacutemo proceso REDOX Cabe
mencionar que se puede favorecer una reaccioacuten u otra en caso de inclinarse por la oxidacioacuten
10
entonces se da la corrosioacuten y si es la reduccioacuten se puede proteger al metal por ejemplo con
electrodepoacutesitos
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda
124 Tipos de ataque por corrosioacuten
Es importante sentildealar que la corrosioacuten huacutemeda presenta dos tipos de ataque corrosioacuten uniforme y
corrosioacuten localizada
a) Corrosioacuten uniforme homogeacutenea o generalizada El ataque se extiende de forma
homogeacutenea sobre toda la superficie metaacutelica y por tanto la peacuterdida de material es
aproximadamente la misma en todos los puntos A este tipo de ataque se le identifica por
crecimiento 2D debido a que se desarrolla preferentemente a lo largo de la superficie Por
consiguiente es relativamente faacutecil estimar la vida uacutetil de los materiales metaacutelicos que lo
sufren
b) Corrosioacuten localizada El ataque no se distribuye de forma homogeacutenea localizaacutendose por
el contrario en determinadas zonas de la superficie metaacutelica A este tipo de ataque se le
conoce por crecimiento 3D debido a que se desarrolla de manera local dando preferencia a
la profundidad maacutes que a la superficie Dentro de este tipo de corrosioacuten existe a su vez
otra clasificacioacuten que se menciona a continuacioacuten
11
a Corrosioacuten por picadura
b Corrosioacuten por hendidura
c Corrosioacuten galvaacutenica
d Corrosioacuten intergranular
e Corrosioacuten bajo tensioacuten
f Corrosioacuten cavitacioacuten
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten
125 Celdas electroquiacutemicas
En corrosioacuten una celda es un dispositivo en el cual se producen reacciones quiacutemicas de oxidacioacuten
y reduccioacuten El aparato se integra de las siguientes partes sustancia que contiene iones (electrolito)
dos electrodos (caacutetodo y aacutenodo) y una conexioacuten eleacutectrica entre ambos electrodos
Existen dos tipos de celdas las electroliacuteticas que requieren un voltaje externo (fuente de
poder) y las electroquiacutemicas o galvaacutenicas que solamente necesitan un instrumento para registrar
voltaje Por lo cual se dice que las primeras son no espontaacuteneas y las segundas espontaacuteneas
Termodinaacutemicamente una reaccioacuten espontaacutenea presenta una energiacutea libre de Gibbs negativa y la
no espontaacutenea positiva tal como se aprecia en la Tabla 11
12
1251 Celda galvaacutenica
Una celda galvaacutenica (Figura 18) es aquella en la cual la energiacutea quiacutemica es convertida en energiacutea
eleacutectrica por medio de una reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea Esto se debe a que un metal es maacutes activo
y otro maacutes noble aacutenodo y caacutetodo respectivamente seguacuten la serie galvaacutenica por lo que al ser
conectados eleacutectricamente producen un flujo de electrones desde el caacutetodo al aacutenodo Dicho flujo
genera un potencial eleacutectrico que puede ser medido experimentalmente
Los requisitos para que se produzca un proceso de corrosioacuten en una pila galvaacutenica son los
siguientes
1 Dos superficies con distinto potencial electroacutedico
a Una de ellas que constituye al aacutenodo de la reaccioacuten al ceder electrones sufriraacute la
corrosioacuten Es decir aquiacute se lleva a cabo la reaccioacuten de oxidacioacuten Es el polo
negativo
Mdeg Mne- + ne-
b La otra que constituye el caacutetodo ganaraacute los electrones cedidos por el aacutenodo En
esta zona ocurriraacute la reaccioacuten de reduccioacuten Es el polo positivo
Mne- + ne- Mdeg
13
2 Un electrolito conductor ioacutenico que contiene los elementos caracteriacutesticos del medio
corrosivo Es justo aquiacute en el seno de la solucioacuten donde ocurre el transporte de materia
3 Una conexioacuten eleacutectricamente conductora entre el aacutenodo y el caacutetodo para que sea posible
el transporte de carga
Figura 18 Celda galvaacutenica
1252 Celda electroliacutetica
Las celdas electroliacuteticas no son espontaacuteneas por lo que debe aplicarse externamente un potencial
eleacutectrico para que funcionen Al proveer dicha energiacutea se fuerza a que una corriente eleacutectrica pase
por la celda con el fin de generar reacciones quiacutemicas de oacutexido-reduccioacuten en la superficie de los
electrodos de dicha celda Uno de los procesos maacutes conocidos es el electrodepoacutesito de metales
como cobre niacutequel o zinc Es importante puntualizar que aquiacute el aacutenodo estaraacute cargado
positivamente y el caacutetodo negativamente contrario a lo sucedido en las celdas galvaacutenicas
Las partes que conforman a la celda electroliacutetica son las siguientes
1 Electrolito Al igual que en las celdas galvaacutenicas se necesita de un conductor ioacutenico
2 Aacutenodo En este tipo de celdas el aacutenodo posee el polo positivo y aquiacute se lleva a cabo la
oxidacioacuten de la especie electroquiacutemica
3 Caacutetodo Eacuteste es el polo negativo y en eacutel se produce la reduccioacuten de la especie
electroquiacutemica
14
4 Fuente de energiacutea Es quien aplica la energiacutea necesaria para poder invertir el sentido
natural de la corriente dando lugar a una reaccioacuten quiacutemica opuesta a la que se produce
espontaacuteneamente en la pila
Figura 19 Celda electroliacutetica
13 Principios Electroquiacutemicos
131 Electrolitos
Todos los solutos que se disuelven en agua se agrupan en dos categoriacuteas electrolitos y no
electrolitos Un electrolito es una sustancia que cuando se disuelve en agua forma una disolucioacuten
capaz de conducir la electricidad Un no electrolito por lo tanto no conduce la corriente eleacutectrica
cuando se disuelve en agua
1311 Tipos de electrolitos
Los electrolitos se clasifican en fuertes y deacutebiles Los primeros son sustancias que estaacuten casi
completamente disociadas en la solucioacuten e incluyen soacutelidos ioacutenicos y aacutecidos fuertes Los uacuteltimos
poseen enlaces tan fuertes que muy difiacutecilmente se ionizan en solucioacuten permaneciendo la mayor
parte en forma de moleacuteculas las cuales no tienen la capacidad de transportar carga eleacutectrica como
lo hacen los iones Es importante mencionar que los electrolitos por buenos conductores de la
electricidad que puedan ser siempre tendraacuten menor capacidad para conducir la electricidad que los
materiales soacutelidos [17]
15
132 Ley de Ohm
Una de las maacutes importantes caracteriacutesticas eleacutectricas de un material soacutelido es la facilidad con que
transmite una corriente eleacutectrica La ley de Ohm relaciona la corriente (I) o sea el paso de carga
por unidad de tiempo con el voltaje aplicado (V) de la manera siguiente
V = IR
Donde R es la resistencia del material a traveacutes del cual pasa la corriente Las unidades de
V I y R son respectivamente voltios (V) amperios (A) y ohmios (Ω)
133 Leyes de Faraday
En electroquiacutemica es de suma importancia poder determinar la velocidad a la que ocurren las
reacciones de oacutexido-reduccioacuten cuando una corriente atraviesa una interfase soacutelido-electrolito pues
esto trae como consecuencia un transporte de materia resultado de la peacuterdida (oxidacioacuten) o
ganancia (reduccioacuten) de masa en el electrodo de trabajo
Cabe mencionar que las caracteriacutesticas superficiales del electrodo y las interacciones del
electrolito en dicha superficie son las que determinan la velocidad de reaccioacuten de un proceso
electroquiacutemico [18] Sin embargo hay tantos factores que pueden afectar directamente la velocidad
de reaccioacuten que por ello las leyes de Faraday solo son utilizables cuando el proceso controlador es
la transferencia de carga
Con las investigaciones del fiacutesico britaacutenico Michael Faraday (1791-1867) se descubrieron
las relaciones cuantitativas entre la cantidad de electricidad que pasa a traveacutes de una solucioacuten y la
cantidad de materia separada o precipitada en los electrodos Es decir con dichas expresiones es
posible calcular el transporte de materia en la interfase soacutelido-electrolito [16]
Primera Ley La masa de un ion liberado o depositado en un electrodo es proporcional a
la cantidad de electricidad que pase a traveacutes de la solucioacuten
Ec 11
16
m = 119868119905119875119860
119899119865
Donde PA es el peso atoacutemico la I la corriente en Amperes t el tiempo que pasa dicha carga
en segundos n el nuacutemero de equivalentes involucrados y F la constante de Faraday
Segunda Ley Las cantidades de sustancias liberadas o depositadas por una cantidad de
electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes Aplica cuando una misma
cantidad de electricidad atraviesa distintos electrolitos es decir cuando el proceso se lleva a cabo
en serie
1198981
1198901=
1198982
1198902
Donde m1 y m2 son las masas depositadas y e1 y e2 son los equivalentes quiacutemicos El
equivalente quiacutemico es la relacioacuten entre el peso atoacutemico y el nuacutemero de oxidacioacuten del compuesto
en cuestioacuten
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary
La ecuacioacuten de Stern-Geary establece la relacioacuten entre la densidad de corriente de corrosioacuten (icorr)
es decir la velocidad de corrosioacuten con la resistencia a la polarizacioacuten [19]
119894119888119900119903119903 = 119861
119877119875
119861 = 119887119886119887119888
2303 (119887119886 + 119887119888)
Donde ba y bc son las pendientes de Tafel anoacutedica y catoacutedica respectivamente
La constante B en la ecuacioacuten sirve para presentar una relacioacuten existente entre las
pendientes de Tafel Para que la ecuacioacuten de Stern-Geary sea aplicable es imperativo que exista
comportamiento tafeliano en el sistema electroquiacutemico
Ec 12
Ec 13
Ec 14
Ec 15
17
14 Control de la corrosioacuten
Baacutesicamente todos los meacutetodos que existen para lograr controlar la corrosioacuten de los materiales
metaacutelicos son intentos para interferir con el mecanismo de corrosioacuten de tal manera que se pueda
hacer que eacuteste sea lo maacutes ineficiente posible Dado que para que exista un proceso de corrosioacuten
debe formarse una pila o celda de corrosioacuten ademaacutes de una diferencia de potencial entre los
electrodos o zonas anoacutedicas y catoacutedicas la eliminacioacuten de alguno de los componentes esenciales
de la mencionada pila podriacutea llegar a detener el proceso [20]
En la praacutectica existen tres maneras de lograr lo anterior y enseguida se explicaraacute en queacute
consiste cada una Sin embargo es muy importante sentildealar que ninguacuten meacutetodo elimina la
corrosioacuten sino que todos disminuyen la velocidad de la reaccioacuten de oxidacioacuten ya que el metal
siempre buscaraacute la condicioacuten de miacutenima energiacutea que es la formacioacuten de oacutexidos e hidroacutexidos
141 Proteccioacuten catoacutedica
Se debe recordar que toda estructura propensa a corroerse presenta zonas catoacutedicas y anoacutedicas
siendo estas uacuteltimas aquellas aacutereas donde se lleva a cabo la corrosioacuten Pero si todas las aacutereas
anoacutedicas se pudieran convertir en catoacutedicas la estructura completa funcionariacutea como caacutetodo y la
corrosioacuten se disminuiriacutea considerablemente [21] Ese es el mecanismo de accioacuten de la proteccioacuten
catoacutedica y se puede llevar a cabo de dos maneras tal como lo muestra la Figura 110
Por corriente impresa La proteccioacuten se logra aplicando una corriente externa a partir de
un rectificador que suministra corriente continua de bajo voltaje El terminal positivo de la
fuente de corriente se conecta a un aacutenodo auxiliar (grafito por ejemplo) localizado a una
determinada distancia de la estructura a proteger y el terminal negativo se conecta a la
estructura metaacutelica
Por aacutenodos de sacrificio El metal a proteger se conecta a otro metal menos noble seguacuten
la serie galvaacutenica que actuaraacute como aacutenodo en la celda de corrosioacuten En ese caso la
estructura actuaraacute como caacutetodo y quedaraacute protegida por el ldquosacrificiordquo del aacutenodo que se
corroeraacute
18
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de sacrificio de
magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
142 Inhibidores de corrosioacuten
Los inhibidores son sustancias orgaacutenicas o inorgaacutenicas que se agregan a la solucioacuten corrosiva con
el fin de disminuir su poder de ataque y asiacute reducir la velocidad de corrosioacuten Se puede decir que
un inhibidor es un calmante de la corrosioacuten pues como ya se mencionoacute con anterioridad ninguacuten
meacutetodo la elimina en su totalidad
El comportamiento de los inhibidores puede ser muchas veces peligroso ya que en funcioacuten
de la concentracioacuten pueden jugar tanto el papel de inhibidores como de estimuladores de la
corrosioacuten [21]
Los hay de dos tipos aunque a veces se utiliza una combinacioacuten de ambos
1) Inhibidores anoacutedicos Actuacutean formando un compuesto insoluble el cual precipita en los
lugares afectados por la peacuterdida de materia evitando la reaccioacuten anoacutedica y por lo tanto
inhibe la corrosioacuten Ejemplos hidroacutexido soacutedico carbonato silicato y borato de sodio
ciertos fosfatos cromato soacutedico nitrito y benzoato de sodio etc
2) Inhibidores catoacutedicos Actuacutean sobre toda la superficie formando una capa o peliacutecula de
alta resistencia eleacutectrica la cual funciona como una barrera para la corriente de corrosioacuten
Ejemplos sulfato de zinc sulfato de magnesio bicarbonato de calcio etc
143 Recubrimientos protectores
Los recubrimientos representan la primera liacutenea en la lucha contra la corrosioacuten Los recubrimientos
sea cual fuere su tipo no mejoran las caracteriacutesticas mecaacutenicas del elemento sin embargo
preservan su resistencia e integridad Sus objetivos pueden ser variados siendo el principal aislar
la estructura del medio agresivo con el que se encuentra en contacto (agua suelo y atmoacutesfera por
lo general) aunque tambieacuten cumplen en ocasiones fines cosmeacuteticos
19
En general se emplean bajo condiciones muy amplias como puede ser exposicioacuten
atmosfeacuterica inmersioacuten en agua estructuras enterradas elementos sometidos a quiacutemicos etc Los
recubrimientos representan la uacuteltima etapa de los procesos de fabricacioacuten de cualquier pieza
sistema o equipo siendo normalmente aplicados antes del ensamble [21] Existe por lo tanto una
amplia gama de materiales que pueden ser utilizados como recubrimientos de los metales
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos
Orgaacutenicos Los recubrimientos orgaacutenicos son poliacutemeros y resinas producidas en forma
natural o sinteacutetica generalmente formulados para aplicarse como liacutequidos que se secan o
endurecen como peliacuteculas delgadas en materiales del sustrato Por ejemplo las pinturas
Inorgaacutenicos Los recubrimientos inorgaacutenicos proporcionan acabados tersos y maacutes
duraderos los maacutes usados son el vidrio y los ceraacutemicos
Metaacutelicos Los recubrimientos metaacutelicos se aplican mediante capas finas que funcionen
como aacutenodos sacrificables que puedan ser corroiacutedos en lugar del metal subyacente Por
ejemplo Niquelado cromado galvanizado electroliacutetico inmersioacuten en caliente etc
15 Galvanoplastia
La galvanoplastia es una teacutecnica que proporciona un recubrimiento metaacutelico a una estructura que
deseamos proteger El elemento adherido modifica las propiedades superficiales del material sobre
el cual se depositan promoviendo caracteriacutesticas que son imposibles de obtener en el metal base
Es un meacutetodo que se fundamenta en la electroacutelisis para asiacute cubrir un metal base con un fina
capa de otro metal ya sea cobre niacutequel cromo oro plata con el fin de embellecerlo o impartirle
resistencia a la corrosioacuten
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten
La electrodeposicioacuten puede ser de un solo metal de capas de diferentes metales o de una aleacioacuten
(por ejemplo latoacuten) Los metales maacutes utilizados para electrodepoacutesito son en orden de importancia
zinc niacutequel estantildeo y cadmio [22] Tambieacuten es usual recubrir con oro plata y platino En el caso
de aleaciones es comuacuten la aplicacioacuten de Babbitts (aleaciones Pb-Sn) Es conveniente mencionar
que la mayoriacutea de los metales se pueden depositar por eacuteste procedimiento
20
En teacuterminos simples este proceso consiste en la inmersioacuten de la parte a recubrir en un
electrolito que contenga iones del metal a depositar para asiacute proceder al paso de una corriente
directa que permita el depoacutesito en la pieza (caacutetodo) donde los iones son repuestos por la accioacuten de
la propia corriente sobre el aacutenodo
Pero iquestcoacutemo sucede realmente el fenoacutemeno de la electrodeposicioacuten A continuacioacuten se
daraacute una explicacioacuten maacutes detallada sin embargo solo las reacciones en el caacutetodo seraacuten presentadas
ya que en general las reacciones en un aacutenodo soluble seraacuten las inversas de aquellas presentes en
el caacutetodo
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre
Suponga una solucioacuten de una sal metaacutelica tal como el sulfato de cobre (Figura 111) la sal
se disocia considerablemente formando cationes cargados positivamente y aniones cargados
negativamente como ya se ha mencionado anteriormente El agua presente se disocia un poco para
formar iones hidroacutegeno e hidroxilo Todo aacutecido sulfuacuterico presente se disocia tambieacuten en iones
hidroacutegeno y en iones ya sea HSO4- o ya sea SO4
-2 La mayor parte de estos iones estaacuten hidratados
o sea que se encuentran combinados con una o maacutes moleacuteculas de agua
Cuando se aplica un potencial a dos electrodos en una solucioacuten asiacute los cationes cargados
positivamente emigran hacia el caacutetodo y los aniones negativos se mueven hacia el aacutenodo En una
solucioacuten acidificada la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es relativamente alta y la de los iones
hidroxilo es muy baja En virtud de que los iones hidroacutegeno se mueven maacutes raacutepidamente que los
iones cobre la mayor parte de la corriente es llevada hacia el caacutetodo por los iones hidroacutegeno Sin
embargo es maacutes faacutecil descargar los iones cobre asiacute que praacutecticamente toda la corriente que se usa
en el caacutetodo es para depositar cobre
21
Es difiacutecil representar el proceso implicado en el depoacutesito real de un metal sobre el sustrato
El caacutetodo se encuentra cargado negativamente o sea tiene una concentracioacuten de electrones
relativamente alta los cuales siempre aprovechan la oportunidad de combinarse con iones cargados
positivamente para asiacute formar los aacutetomos metaacutelicos
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel
El niacutequel (Ni) es un elemento quiacutemico de nuacutemero atoacutemico 28 situado en el grupo 10 de la tabla
perioacutedica de los elementos Es un metal blanco plateado duro maleable y duacutectil que puede
presentar un intenso brillo
Como elemento aleante proporciona resistencia tenacidad y proteccioacuten contra la corrosioacuten
El uso principal del niacutequel como metal es en la electrodeposicioacuten de piezas ya que funge como
protector corrosivo y de desgaste ante otros materiales que suelen ser maacutes susceptibles
ambientalmente tal como el hierro o el acero ademaacutes de embellecer la superficie El niacutequel es un
metal muy poco activo y bajo casi todas las condiciones tiende a resistir manchas y oxidacioacuten [23]
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel
Normalmente los galvanizados de niacutequel se hacen a partir de soluciones aacutecidas variando en un
rango de pH de 15 a 60 Una excepcioacuten es el uso de un bantildeo alcalino amoniacal de niacutequel con un
pH cerca de 9 [22]
A pesar de las muchas foacutermulas de bantildeos de niacutequel casi todas ellas contienen tres componentes
esenciales
Sulfato de niacutequel Constituye la principal fuente de iones niacutequel ademaacutes de controlar los
liacutemites admisibles de densidad de corriente
Cloruro de niacutequel Suministra los iones cloruros necesarios para asegurar la corrosioacuten de
los aacutenodos de niacutequel Tambieacuten es una fuente secundaria de iones niacutequel
Aacutecido boacuterico Actuacutea como agente tampoacuten y para conservar la adhesioacuten del depoacutesito de
niacutequel
A continuacioacuten se enlistan las teacutecnicas principales que se utilizan en los depoacutesitos de niacutequel
[22] Cabe mencionar que las concentraciones exactas y las condiciones de operacioacuten pueden
modificarse pero los valores que se dan pueden servir de guiacutea
22
1 Niacutequel a bantildeo friacuteo diluido
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 09 120 16
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Fluoruro de amonio NH4F 057 65 87
2 Bantildeo caliente Tipo Watts
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 04 45 6
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
pH para operacioacuten a un alto pH 45-55 a un bajo pH 15-30
Temperatura 43deg C (110 degF)
Densidad de corriente 2-7 ampdm2 (20-65 ampft2)
3 Bantildeo de alto sulfato
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 05 70 9
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Sulfato de sodio Na2SO4 10 160 22
Aacutecido boacuterico H3BO3 025 M 15 2
pH 55
Temperatura 20-30 degC (68-86 degF)
Densidad de corriente 15-30 ampdm2 (14-28 ampft2)
4 Bantildeo brillante de niacutequel-cobalto
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
23
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 038 45 6
Sulfato de cobalto CoSO4 7H2O 011 15 2
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
Sulfato de amonio (NH4)2SO4 004 25 03
Formato de niacutequel Ni(COOH)2 067 50 67
Formaldehiacutedo HCHO (40) 25 03
pH 45
Temperatura 55 degC (131 degF)
Densidad de corriente 3 ampdm2 (28 ampft2)
1522 Condiciones de operacioacuten
El caraacutecter del depoacutesito depende de varios factores incluyendo la temperatura la densidad de
corriente el pH la distancia entre los electrodos y la agitacioacuten los cuales se ajustan para producir
recubrimientos gruesos o delgados mates o brillantes suaves o duros duacutectiles o fraacutegiles [22] Cabe
mencionar que los valores oacuteptimos para cada factor variacutean de acuerdo con el tipo del bantildeo por lo
que no es posible dar cifras determinadas En su lugar se indicaraacuten los efectos sobre el caraacutecter de
los depoacutesitos obtenidos
pH La eleccioacuten de pH es regida por el tipo de bantildeo y las propiedades que se desean en el
depoacutesito En general en bantildeos de niacutequel opaco un aumento en el pH especialmente arriba de 50
produce depoacutesitos maacutes duros probablemente como resultado de mayor precipitacioacuten
Reciacuteprocamente los depoacutesitos de bajo pH seraacuten probablemente suaves
Temperatura La ventaja de aplicar altas temperaturas depende de varios factores
incluyendo (1) maacutes elevada solubilidad del niacutequel u otras sales (2) mayor conductividad (3)
reducida polarizacioacuten en ambos electrodos y (4) aumento de eficiencia en el aacutenodo y caacutetodo
Aunque de igual manera se pueden presentar ciertas desventajas (1) aumento de la tendencia a la
precipitacioacuten de impurezas (2) la propensioacuten a coagular agentes abrillantadores (3) vaporizacioacuten
excesiva (4) produccioacuten de depoacutesitos pasivos y (5) menor potencia de depoacutesito
Densidad de corriente La densidad de corriente es dependiente de los dos factores
anteriores A temperatura ambiente especialmente en bantildeos diluidos se emplean densidades de
24
corriente de 5 a 20 Aft2 (05 a 2 Adm2) En bantildeos maacutes fuertes y calientes se pueden usar
densidades de corriente hasta de 60 Aft2 (6 Adm2)
Agitacioacuten El efecto de la agitacioacuten equivale a un aumento en concentracioacuten de niacutequel y a
una disminucioacuten de pH lo que permite densidades de corriente maacutes altas Una desventaja de la
agitacioacuten raacutepida en los bantildeos de niacutequel es que con el movimiento suben a la superficie las partiacuteculas
suspendidas lo que trae consigo un depoacutesito aacutespero
Distancia entre electrodos La elaboracioacuten de recubrimientos con espesor uniforme
depende tambieacuten de la propia disposicioacuten y espacio adecuado de las piezas de trabajo aacutenodo y
caacutetodo Por lo que entre maacutes cercana esteacute la superficie a recubrir del aacutenodo mayor seraacute el espesor
del depoacutesito obtenido
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel
Las propiedades fiacutesicas del niacutequel electrodepositado son de especial intereacutes porque hay una gran
variedad de propiedades el control de las cuales de las cuales crea aplicaciones especiales del
niacutequel por ejemplo en electroformacioacuten Las siguientes propiedades son para depoacutesitos opacos de
niacutequel [22]
Dureza Esta variacutea en los diferentes depoacutesitos de niacutequel cerca de 130 a 430 HB En el bantildeo
tipo Watts se obtuvo un miacutenimo de dureza a un pH de 3 obtenieacutendose depoacutesitos maacutes duros abajo
y arriba de este liacutemite Los depoacutesitos maacutes duros se obtienen con un alto pH
Resistencia a la tensioacuten En general la resistencia a la tensioacuten es casi paralela a la dureza
y va de 56 000 a 160 000 lbplg2 (3 900 a 11 000 kgcm2)
Ductilidad La ductilidad medida por elongacioacuten es casi inversamente proporcional a la
dureza y a la resistencia a la tensioacuten
Resistividad eleacutectrica La resistividad eleacutectrica del niacutequel depositado es influenciada por el
contenido de inclusiones como el oacutexido y el cobalto Se presenta un poco en un pH 3
Composicioacuten Los depoacutesitos de niacutequel contienen oxiacutegeno e hidroacutegeno probablemente
presentes como compuestos baacutesicos del niacutequel como Ni(OH)2 El cloruro puede estar presente en
los depoacutesitos de todos los bantildeos de cloruro Estas inclusiones indudablemente tienen influencia en
la dureza y resistencia a la tensioacuten
25
1524 Niquelado en diferentes metales base
Debido a que el niacutequel es el maacutes extensamente aplicado a numerosos metales base solo algunos
ciclos empleados seraacuten considerados en esta seccioacuten [22]
Niquelado en acero El niacutequel puede ser depositado directamente sobre acero o sobre una
capa delgada o gruesa de cobre Debido a numerosas pruebas de corrosioacuten y a lo demostrado por
la experiencia se sabe que las capas de cobre ejercen menos proteccioacuten que una densidad igual de
niacutequel por lo tanto la tendencia actual es eliminar el cobre
Niquelado en hierro vaciado La dificultad de galvanizar sobre hierro vaciado estaacute
indudablemente asociada con la presencia de carbono liberado o grafito en el hierro Si eacuteste
permanece parcialmente embebido el niacutequel no se deposita tan faacutecilmente sobre el carboacuten o
carburos como en los cristales de hierro Por ello se utiliza una capa de cobre ya que mejora la
adhesioacuten del niacutequel al hierro vaciado La limpieza catoacutedica en caacuteustico fundido es algunas veces
efectiva y la saturacioacuten en aacutecido fluorhiacutedrico puede ayudar Por buena que sea la adhesioacuten del
niacutequel al hierro vaciado no es tan buena como en el acero
Niquelado en cobre y latoacuten La praacutectica maacutes comuacuten es aplicar el niacutequel directamente al
cobre o latoacuten seguido por la acostumbrada capa de cromo Ha sido demostrado concluyentemente
que las capas de cromo aplicadas directamente al latoacuten dan menos proteccioacuten contra la corrosioacuten
que cuando se aplica primero una capa de niacutequel
Niquelado en zinc y vaciados con base de zinc Se ha confirmado por muchas pruebas que
las capas adherentes de niacutequel pueden ser aplicadas directamente a troquelados de zinc usando un
alto-sulfato en bantildeo de niacutequel El principio de este bantildeo es la adicioacuten de suficiente sulfato de sodio
para reducir la actividad del ion niacutequel y aumentar la polarizacioacuten del caacutetodo De este modo se
evita que el zinc pase a la solucioacuten precipitando niacutequel oscuro Este bantildeo de alto sulfato de niacutequel
tiene una excelente conductividad y potencia de depoacutesito
Niquelado en magnesio El galvanizado de niacutequel u otros metales en magnesio o sus
aleaciones se hace difiacutecilmente por la alta actividad del magnesio y su consecuente tendencia a
depositar niacutequel u otros metales pesados por inmersioacuten Debido a la gran diferencia de potenciales
de solucioacuten del magnesio y de metales como el cobre niacutequel o cromo eacutestos pueden galvanizarse
sobre el magnesio cuya corrosioacuten se acelera raacutepidamente si hay algunos poros o discontinuidad en
26
los recubrimientos Mientas no se pueda demostrar que pueden producirse y mantenerse
recubrimientos electroliacuteticos casi impenetrables en el magnesio y sus aleaciones es de dudarse que
estos galvanizados puedan tener una aplicacioacuten industrial
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de materiales consiste en la obtencioacuten de informacioacuten acerca de un material
bajo estudio (composicioacuten estructura morfologiacutea y otras propiedades) a partir de la interaccioacuten de
una sentildeal (eleacutectrica luminosa teacutermica etc) con una porcioacuten de dicho material Por tanto toda
caracterizacioacuten de un material supone una agresioacuten es decir una perturbacioacuten del mismo El
estudio de la respuesta del material a dicha perturbacioacuten tiene la finalidad de dar a conocer las
propiedades del mismo para asiacute predecir si seraacute uacutetil o no en una determinada aplicacioacuten
Se puede asegurar que la ayuda de las nuevas teacutecnicas de caracterizacioacuten y anaacutelisis ha sido
indispensable en el disentildeo siacutentesis y procesado de estos materiales permitiendo un cuidadoso
control de sus propiedades e incluso en muchos casos con la posibilidad de fijar de antemano
alguna de sus caracteriacutesticas
161 Dureza
La dureza es una propiedad de los materiales soacutelidos y se define como la resistencia que oponen
estos materiales a ser deformados Una buena dureza significa generalmente que el material es
resistente al rayado y al desgaste [23]
1611 Ensayo de dureza Vickers
Este ensayo usa un indentador en forma de piraacutemide hecho de diamante Figura 112 (a) El ensayo
se basa en el principio de que las impresiones hechas por este indentador tienen geometriacuteas
similares independientemente de la carga aplicada En consecuencia se aplican varias cargas
dependiendo de la dureza del material a ensayar [24] la dureza Vickers se determina entonces con
la foacutermula
HV = 1854 119865
1198632
Donde F es la fuerza aplicada en kgf y D es la diagonal de la impresioacuten hecha por el
indentador en mm El ensayo Vickers puede usarse para todos los metales porque cuenta con una
de las escalas maacutes amplias entre los ensayos de dureza
Ec 16
27
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante un ensayo de dureza
162 Rugosidad
El acabado superficial de los cuerpos puede presentar errores de forma macro y micro geomeacutetricos
auacuten las superficies consideradas como ldquomuy lisasrdquo muestran cuando son analizadas a escala
sumamente fina una compleja diversidad de particularidades geomeacutetricas [25] Por lo tanto la
rugosidad es el conjunto de irregularidades en una superficie real
1621 El perfiloacutemetro
El rugosiacutemetro o perfiloacutemetro es por mucho el equipo maacutes utilizado en la industria para medir la
rugosidad de componentes comunes El principio de operacioacuten de este equipo es simple una fina
punta en contacto con la superficie a analizar realiza un barrido controlado en liacutenea recta y las
variaciones de alturas se convierten en sentildeales eleacutectricas que son debidamente registradas
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro
28
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB)
En el microscopio electroacutenico de barrido se construyen imaacutegenes aprovechando la emisioacuten de
electrones (electrones secundarios) de una muestra cuando sobre ella incide un haz enfocado de
electrones de alta energiacutea La muestra tambieacuten emite rayos X los cuales pueden ser analizados para
obtener informacioacuten sobre la composicioacuten del material [26] Cada sentildeal del MEB es captada con
un detector apropiado
Los electrones emitidos por la interaccioacuten del haz incidente y la muestra son colectados por
los correspondientes detectores para producir una sentildeal eleacutectrica la cual se utiliza para modular la
intensidad de un haz de electrones que incide en la pantalla de un tubo de rayos catoacutedicos (TRC)
de manera que mediante un barrido sincronizado del haz incidente en la superficie de una muestra
y del haz incidente en la pantalla del TRC se produce la imagen de la muestra [26]
La emisioacuten de electrones y de rayos X de la muestra se origina por las colisiones de
electrones del haz incidente con electrones de los aacutetomos del material de la probeta tal como se
puede observar en la Figura 114
Algunas colisiones son elaacutesticas de modo que algunos electrones del haz primario pueden
salir de la superficie de la muestra sin una significativa peacuterdida de energiacutea estos son los llamados
electrones reflejados Pero la mayoriacutea de las colisiones son inelaacutesticas y entre otros efectos
originan emisioacuten de electrones de baja energiacutea conocidos como electrones secundarios
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y fotones por la
interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
29
1631 Componentes baacutesicos del MEB
Cantildeoacuten de electrones que produce un haz con energiacutea entre 5 keV y 30 keV con un diaacutemetro
efectivo entre 01 microm y 10 microm
Lentes electromagneacuteticas condensadoras que reducen el diaacutemetro del haz de manera que en
la superficie de la muestra se tiene un diaacutemetro apropiado al aumento de la imagen
Apertura final la cual controla la divergencia del haz incidente en la muestra
Una lente objetivo que enfoca el haz en la superficie de la muestra
Sistema de barrido el cual permite la construccioacuten de la imagen en la pantalla del TRC por
el barrido del haz en la superficie de la muestra
Detectores de sentildeales emitidas por la muestra (Electrones secundarios electrones
reflejados rayos X etc)
Tubo de rayos catoacutedicos para presentacioacuten de la imagen
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica es una teacutecnica relativamente nueva que permite obtener
imaacutegenes de superficies a escala molecular [27] El microscopio consta esencialmente de una punta
de Si3N4 montada sobre un fleje Con esta punta se realiza un barrido sobre la superficie de la
muestra la cual se situacutea sobre un escaacutener piezoeleacutectrico El funcionamiento del microscopio se
basa en el control por un ordenador de la fuerza ejercida por la punta durante el barrido (Ver Figura
30
116) En el modo denominado de contacto la fuerza punta-muestra se mantiene constante
mediante un sistema de retroalimentacioacuten basado en los siguientes puntos
1) La variacioacuten de la fuerza punta-muestra se traduce en movimientos verticales y horizontales
del fleje que hacen variar la direccioacuten de un rayo laacuteser incidente sobre eacutel Estos cambios en
la direccioacuten del laacuteser son recogidos por un fotodetector y analizados por un ordenador
2) Los aumentos o disminuciones de fuerza son compensados por el ordenador que enviacutea una
sentildeal al piezoeleacutectrico para que acerque o aleje la muestra a la punta
3) Tanto las variaciones del haz luminoso como los movimientos controlados del
piezoeleacutectrico son convertidos por el ordenador en un mapa topograacutefico de la superficie
Figura 116 Funcionamiento de un MFA
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX)
El meacutetodo de difraccioacuten por rayos X es una herramienta poderosa para investigar la disposicioacuten
ordenada de los aacutetomos o moleacuteculas por medio de la interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica
para producir efectos de interferencia con estructuras comparables en tamantildeo a la longitud de onda
de la radiacioacuten
31
Al igual que con los tipos de radiacioacuten electromagneacutetica la interaccioacuten entre el vector
eleacutectrico de la radiacioacuten X y los electrones de la materia que atraviesa da lugar a una dispersioacuten
Cuando los rayos X son dispersados por el entorno ordenado de un cristal tienen lugar
interferencias (constructivas y destructivas) entre los rayos dispersados ya que las distancias entre
los centros de dispersioacuten son del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la radiacioacuten
La teacutecnica de difraccioacuten de rayos X aplicada al estudio de materiales permite obtener
informacioacuten importante sobre distintos aspectos de los mismos Para recubrimientos [28] eacutesta
teacutecnica es imprescindible para determinar
Tipo de estructura (FCC HCP etc)
Esfuerzos residuales
Microdeformaciones
Tamantildeo de grano
Fases presentes
Proporcioacuten relativa de las fases
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X
El fenoacutemeno de difraccioacuten es la interferencia entre las ondas que se genera cuando hay un objeto
en su trayecto Para comprender mejor esto supoacutengase dos planos reticulares 1 y 2 tal como en la
Figura 117 de un cristal con una distancia d entre ambos converge un haz de rayos X procedente
de A con un aacutengulo de incidencia θ este haz en parte se refleja sobre el primer plano hacia F y
en parte atraviesa y se refleja sobre el plano 2 hacia F3 y asiacute sucesivamente sobre los otros planos
[29]
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X
32
En el punto D se sobrepone un rayo reflejado por el primer plano reticular y el otro del
segundo cuya diferencia de camino despueacutes de la reflexioacuten es CD-ED Si tal diferencia es un
muacuteltiplo entero n de la longitud de onda λ de la radiacioacuten X los dos rayos en D estaraacuten en
concordancia de fase y sobreponieacutendose aumentaraacute su intensidad
Por el contrario si estaacuten en discordancia tenderaacuten a anularse Para que se verifique esta
condicioacuten es necesario que las magnitudes λ d θ y n satisfagan la relacioacuten de la Ley de Bragg
nλ = 2 d sen θ
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP)
La teacutecnica electroquiacutemica llamada Resistencia a la Polarizacioacuten es el resultado de la aproximacioacuten
de bajo campo a la ecuacioacuten de Butler-Volmer y por este motivo se debe aplicar solamente cuando
exista control activacional o por transferencia de carga
Los materiales que son susceptibles de ser evaluados mediante la aplicacioacuten de la RP deben
estar inmersos en electrolitos conductores es decir que la resistividad de las soluciones no sea alta
y deben encontrarse libres de peliacuteculas resistivas
1661 Procedimiento experimental
Para realizar un estudio experimental de Resistencia a la Polarizacioacuten lo mejor es acudir a la norma
ASTM G 59-91 [32] En general los pasos a seguir de acuerdo a la norma son los siguientes
Usar un puente salino que acerque el electrodo de referencia a 2 o 3 mm de la superficie
del electrodo de trabajo
Registrar el potencial de corrosioacuten despueacutes de 5 minutos
Aplicar un potencial 30 mV maacutes negativo que el potencial registrado
Un minuto despueacutes de que se aplique el potencial se inicia un barrido con direccioacuten anoacutedica
a 06 Vh (10 mVmin) registrando el potencial y la corriente continuamente
Terminar el barrido cuando se alcanza un valor de 30 mV positivo que el potencial de
corrosioacuten
Graficar la curva de polarizacioacuten
Determinar graacuteficamente la resistencia a la polarizacioacuten como la tangente a la curva en el
origen de la graacutefica
Ec 17
33
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE)
La teacutecnica de Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica es un meacutetodo electroquiacutemico
utilizado en estudios de corrosioacuten el cual se basa en el uso de una sentildeal de corriente alterna (CA)
que es aplicada a un electrodo (metal en corrosioacuten) y determinando la respuesta correspondiente
En el procedimiento experimental comuacutenmente utilizado se aplica una sentildeal sinusoidal de
voltaje y se mide su respuesta en corriente a diferentes frecuencias aunque es posible aplicar una
pequentildea cantidad de corriente y medir la respuesta del potencial El voltaje la corriente y la
frecuencia son relacionadas por la impedancia en una forma anaacuteloga a la ley de Ohm
V = IZ
Donde Z es la impedancia del circuito A diferencia de la resistencia la impedancia de un
circuito puede depender de la frecuencia aplicada
Cuando se aplica una sentildeal de CA incluso en un sistema de corrosioacuten sencillo se comporta
de manera maacutes complicada que una sola resistencia Pues existe tambieacuten una capacitancia la de la
doble capa electroquiacutemica (Cdl) que es debida a la carga de las especies existentes en la interfase
metal-electrolito y que se encuentra presente en todos los sistemas corrosivos Ademaacutes estaacute la
resistencia de la solucioacuten (Rs) para que se le permita La combinacioacuten de estos tres componentes
proporciona un circuito equivalente simple para un metal que se corroe Dicho circuito es una
combinacioacuten de elementos eleacutectricos tales como resistores y capacitores lo que da la misma
respuesta a sentildeales eleacutectricas como el metal real que se corroe [30] El circuito simple descrito
anteriormente se muestra en la Figura 118
Figura 118 Circuito equivalente simple
Los espectros de impedancia se pueden utilizar para identificar y cuantificar las
capacitancias en el sistema y para separar diferentes resistencias por ejemplo la resistencia de la
solucioacuten y la resistencia a la polarizacioacuten A altas frecuencias la resistencia de la solucioacuten se puede
cuantificar A frecuencias maacutes bajas los diferentes tipos de procesos se producen en diferentes
Ec 18
34
escalas de tiempo (en diferentes frecuencias) y puede ser posible identificar los procesos de
difusioacuten o los fenoacutemenos de adsorcioacuten y desorcioacuten [3031]
1671 Representaciones graacuteficas
Solamente existen dos maneras de representar los valores experimentales de la espectroscopia de
impedancia electroquiacutemica
1 Diagramas de Nyquist Tipo de representacioacuten maacutes comuacuten que consiste en graficar los
valores de la impedancia real frente a los de la impedancia imaginaria Estos diagramas
permiten identificar la resistencia del electrolito la resistencia a la transferencia de carga y
la resistencia a la polarizacioacuten [3031] en la mayor parte de los casos La Figura 119
muestra un ejemplo de este tipo de diagramas
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist
2 Diagramas de Bode En este tipo de representaciones se pueden obtener dos diagramas el
moacutedulo de la impedancia y el aacutengulo de fase (Figura 120) Tambieacuten en funcioacuten de la parte
real o la imaginaria pero en escala logariacutetmica Ambos graacuteficos son particularmente uacutetiles
cuando existen constantes de tiempo con valores muy proacuteximos que no se pueden distinguir
en los diagramas de Nyquist
35
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b) Moacutedulo de
impedancia
1672 Ecuacioacuten de Brug
Como bien se sabe el objetivo de los experimentos de EIS es a menudo extraer la capacitancia de
las peliacuteculas (posiblemente como una funcioacuten del potencial aplicado) y por lo tanto para obtener
informacioacuten sobre las propiedades dieleacutectricassemi-conductoras de dichas peliacuteculas Sin embargo
en diversos sistemas la estimacioacuten de la capacitancia es difiacutecil debido a que un comportamiento
de elemento de fase constante (CPE) se observa en lugar de un comportamiento capacitivo
Brug [33] propuso una foacutermula (Ec 19) que relaciona la resistencia del electrolito (Re) y
la resistencia a la transferencia de carga (Rtc) donde es posible calcular la capacitancia contenida
en el CPE
119862 = 1198761
120572[119877119890minus1 + 119877119905119888minus1]1minus120572
120572
Donde C es la capacitancia Q es el factor de Brug Re es la resistencia del electrolito Rtc
es la resistencia a la transferencia de carga y α es la pendiente de la impedancia calculada a bajas
frecuencias
Ec 19
36
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental
21 Preparacioacuten superficial de muestras
A partir de una laacutemina de acero 1018 de 150 x 1 m se cortaron 48 placas de 10 x 2 cm cada una
con una cizalla ya que se necesitaba que cada muestra fuera perfectamente paralela para el proceso
de electrodeposicioacuten
Las placas de acero presentaban una capa de oacutexido por lo que se siguioacute la norma ASTM
G1 [34] para decapar cada muestra durante 10 minutos en HCl al 50 (Ver figura 21) para
posteriormente lavarse con agua potable y asiacute pasar al lijado con granulometriacutea 180 240 320 400
y 600 Seguido de un lavado con agua destilada para eliminar residuos de material removido y
finalizando con un bantildeo de acetona para retirar cualquier resto de humedad y grasa
Figura 21 Decapado de muestras
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos
Para los electrodepoacutesitos con influencia de un campo magneacutetico se utilizaron dos imanes de
neodimio sin embargo no teniacutean sentildealizacioacuten alguna para diferenciar sus polos ni se conociacutea el
valor del campo Entonces se utilizoacute una bruacutejula para determinar el norte y sur de cada imaacuten asiacute
como se aprecia en la Figura 22
37
Figura 22 Determinacioacuten de los polos
Y el campo magneacutetico se midioacute con un gausiacutemetro Marca RFL modelo 91 (Figura 23)
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico
23 Preparacioacuten del electrolito
Para el proceso de electrodeposicioacuten se empleoacute un bantildeo Watts estaacutendar [35] cuya composicioacuten se
presenta en la Tabla 21
38
Para la deposicioacuten electroliacutetica sin campo se preparoacute un litro de solucioacuten y para la que teniacutea
influencia de campo magneacutetico se hicieron dos litros
24 Obtencioacuten de recubrimientos
Para las electrodeposiciones se utilizoacute una fuente de poder marca Good Will Instrumets modelo
GPR-3510HD En cuya terminal negativa se conectoacute el caacutetodo (acero 1018) y en la positiva el
aacutenodo (niacutequel soacutelido Figura 24) Ambos electrodos se colocaron paralelamente cara con cara
Figura 24 Rondelas de niacutequel
Los electrodepoacutesitos de niacutequel sobre acero 1018 con y sin influencia de campo magneacutetico
se llevaron a cabo a voltaje constante siendo eacuteste de 4 V midiendo la corriente resultante al
finalizar el proceso las muestras se lavaron con agua destilada y se dejaron secar al ambiente Se
realizaron seis condiciones diferentes tal como lo muestra la Tabla 22
En el caso de los electrodepoacutesitos en presencia de campo magneacutetico se utilizaron dos
imanes de Neodimio (Valor fluctuante de 15 a 34 T) los cuales se instalaron en la cuba
electroliacutetica el polo norte cerca del aacutenodo y el polo sur del caacutetodo tal como lo muestra la Figura
25
39
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con imanes de
neodimio
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos
Las muestras electrodepositadas con y sin presencia de campo magneacutetico se fijaron a una celda
de acriacutelico con un aacuterea de exposicioacuten de 133 cm2 en dicha celda se vertioacute una solucioacuten de NaCl
al 3 en peso se colocoacute una tapa y se introdujeron un electrodo de referencia de AgAgCl y un
contra-electrodo de grafito Dicha celda se conectoacute a un potenciostato marca Bio-logic modelo
SP-150 controlado mediante una computadora de escritorio con su respectivo software El
dispositivo utilizado para las pruebas se puede ver en la Figura 26a
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el electrodo de
referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo (ET)
40
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
Se utilizoacute la teacutecnica de RP en modo potenciodinaacutemico en un intervalo de plusmn 20 mVEcorr a una
velocidad de barrido de 01667 mVs haciendo la respectiva curva de polarizacioacuten mediante la
computadora Previo a esto el electrodo de trabajo se dejoacute estabilizar en el electrolito (NaCl al 3
peso) durante 30 minutos
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica
Al teacutermino de la medicioacuten de la RP el electrodo de trabajo se dejoacute a circuito abierto durante 15
minutos Posteriormente se utilizoacute la teacutecnica EIE en un intervalo de frecuencias de 50 kHz a 50
mHz a 7 puntos por deacutecada y 10 mV de perturbacioacuten
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos
Para la caracterizacioacuten superficial las placas se cortaron en una maacutequina dobladora a una medida
de 2 x 2 cm para asiacute poder ingresar a ciertos equipos Se eligioacute una muestra de cada condicioacuten
tanto con y sin influencia de campo magneacutetico
261 Dureza
Los estudios de dureza fueron obtenidos con un microduroacutemetro de Vickers marca
Mitutoyo Colocando las placas en el portamuestras del microscopio se hizo incidir el indentador
de diamante aplicando una carga de 10 kgf durante 20 s para un acero suave [36] Este
procedimiento se realizoacute 5 veces por muestra para obtener un promedio de dureza
262 Rugosidad
Se utilizoacute un rugosiacutemetro marca Mitutoyo modelo Surftest-402 Las muestras se colocaron
en una superficie plana y sobre ella se situoacute el palpador con punta coacutenica tal como lo muestra la
Figura 27 posteriormente se calibroacute dicha punta y entonces el equipo realizoacute un pequentildeo recorrido
sobre la superficie con el que determinoacute la rugosidad de cada muestra en microm
41
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido
Para esta caracterizacioacuten de las placas se utilizoacute el Microscopio Electroacutenico de Barrido de
alto-bajo vaciacuteo Jeol JSM 6610LV con un voltaje de 20 kV y una distancia de trabajo de 10 mm
Las placas se colocaron en un portamuestras (Figura 28) y se analizaron a alto vaciacuteo Las imaacutegenes
se formaron con una sentildeal de electrones secundarios a 500 1000 y 5000X
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
Se utilizoacute un Microscopio de Fuerza Atoacutemica marca Asylum Research modelo Cypher que cuenta
con una punta de silicio que tiene una constante de 2 Nm (conforme se va desgastando va
disminuyendo su valor)
Para las muestras sin influencia de campo magneacutetico se utilizoacute el modo contacto es decir
la fuerza entre la punta y la muestra son constantes En el caso de las muestras con influencia de
campo magneacutetico que mostraron una superficie menos rugosa y maacutes faacutecil de medir
topograacuteficamente se usoacute el modo no contacto por lo que la punta no tocaba la muestra sino que
42
oscilaba a una distancia de entre 1 y 10 nm Todas las imaacutegenes se obtuvieron en un aacuterea de 10 x
10 microm a una velocidad de barrido de 10 Hz escaneando 512 liacuteneas generadas por 512 puntos en
zonas especiacuteficas
265 Difraccioacuten de rayos X
Para esta caracterizacioacuten se utilizoacute un difractoacutemetro de rayos X marca Siemens modelo D5000
Las condiciones de operacioacuten fueron las siguientes velocidad de barrido de 05 s incrementos de
0035cps 35 kV y 25 mA El intervalo de aacutengulo seleccionado fue 2θ = 30 a 120deg que es el
rango donde aparecen la mayoriacutea de los picos caracteriacutesticos del niacutequel [37]
43
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten
Para una mejor comprensioacuten de los resultados eacutestos se presentan de manera comparativa en
funcioacuten del tiempo de electrodeposicioacuten con y sin campo magneacutetico analizando dichos
recubrimientos con las teacutecnicas electroquiacutemicas planteadas en el capiacutetulo de metodologiacutea
experimental tambieacuten se realizaron anaacutelisis del comportamiento de las propiedades fiacutesicas tales
como dureza rugosidad y espesor para determinar la influencia del campo magneacutetico durante la
electrodeposicioacuten de niacutequel
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos
La Figura 31b muestra las reacciones que se llevaron a cabo en el proceso de electrodeposicioacuten
Como ya se sabe en el aacutenodo se lleva a cabo la oxidacioacuten del niacutequel y en el caacutetodo la reduccioacuten
del mismo Sin embargo en el caacutetodo tambieacuten se lleva a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten del
hidroacutegeno ya que el medio usado para la electrodeposicioacuten es aacutecido (pH = 3) por ello la eficiencia
en el caacutetodo no es del 100
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni
311 Caacutelculo de masa depositada
Para conocer la masa de Ni depositada en el acero 1018 se realizaron mediciones de peso antes y
despueacutes de que las placas fueran sometidas al proceso de electrodeposicioacuten Sin embargo como el
aacuterea de electrodepoacutesito no es la misma en todas las placas se compara la masa depositada por
centiacutemetro cuadrado tal como lo muestra la Tabla 31
44
En la tabla 31 se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten de
niacutequel la masa por unidad de aacuterea aumenta Esto se cumple para ambas temperaturas (30degC y 60degC)
y ambas condiciones (sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico) sin embargo se demostraraacute
maacutes adelante que el aumento de masa no es garantiacutea de una reduccioacuten de la velocidad de corrosioacuten
(Grafico 31) Es importante sentildealar que tanto a 30degC como a 60degC la masa de niacutequel disminuye
cuando se utiliza el campo mageacutentico sin embargo a 30degC esto no se cumple debido a que hay un
aumento de masa
312 Eficiencia en corriente
Es importante mencionar que en todos los electrodepoacutesitos la corriente final era menor que la
inicial Dicha caiacuteda de corriente se debioacute a la formacioacuten de una capa de oacutexido en el aacutenodo Figura
32 lo que ocasionoacute una disminucioacuten en la entrega de cationes (Ni2+) a la solucioacuten
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido
La eficiencia en corriente se evaluoacute con la foacutermula del Anexo 1-A y se tomoacute el valor de la
corriente inicial para dicho caacutelculo Los resultados se muestran en la Tabla 32 Mientras que
Ferreira y Colnago [12] reportaron obtener eficiencias del doble para sus peliacuteculas de cobre en
45
este caso se puede notar que la presencia del campo magneacutetico provoca una disminucioacuten en el
rendimiento del sistema
La fuente de poder se debe regular para poder otorgar los 4 V que el proceso de
electrodeposicioacuten requiere y desde el momento en que se enciende el aparato empieza a mandar
corriente Por ello ciertas eficiencias sobrepasan el 100 pues el tiempo de ajuste se excedioacute maacutes
de 50 segundos
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
En la Figura 33 se observan los resultados de la resistencia a la polarizacioacuten en funcioacuten de la
temperatura y del tiempo de exposicioacuten A 60degC se observa que el campo magneacutetico provoca una
disminucioacuten de la resistencia a la polarizacioacuten para los diferentes tiempos de electrodepoacutesito
realizados lo cual se traduce en un aumento de la velocidad de corrosioacuten de acuerdo con la
ecuacioacuten de Stern y Geary (Ec 14) Este efecto de disminucioacuten de la Rp tambieacuten se observa en
los datos a 30degC con excepcioacuten del tiempo 7 minutos
46
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal
En la Tabla 33 se presentan las variaciones de icorr y Vcorr sin campo magneacutetico y en
presencia de campo magneacutetico a 30deg y 60deg en funcioacuten del tiempo de electrodepoacutesito
En la Graacutefica 31 se puede observar que a 60degC con mayor tiempo de electrodeposicioacuten de
Ni disminuye la Vcorr Sin embargo se puede notar que con la presencia del campo las velocidades
de corrosioacuten son mayores pero respetando la tendencia antes mencionada
60degC17min CM
60degC17min SC
60degC12min CM
60degC12min SC
60degC7min CM
60degC7min SC
30degC17min CM
30degC17min SC
30degC12min CM
30degC12min SC
30degC7min CM
30degC7min SC
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Rp (Ohm cm2)
47
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de electrodeposicioacuten
La tabla 34 muestra los valores de Ecorr para ambas temperaturas (30degC y 60degC) y en las
dos condiciones ensayadas (sin campo y con campo) Sin campo magneacutetico y con excepcioacuten de
30degC y 17 min se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten el Ecorr se
desplaza hacia valores menos negativos al mismo tiempo que la Vcorr disminuye (Tabla 33) De
acuerdo con la Teoriacutea de Potencial Mixto explicada por Evans el sistema se encuentra bajo un
control tipo anoacutedico es decir que la reaccioacuten de oxidacioacuten de niacutequel se desplaza para dar un Ecorr
menos negativo al mismo tiempo que reduce la Vcorr
1198731198942+ + 2119890minus harr 119873119894deg
Sin embargo a 30degC y 17 min el sistema se encuentra bajo control catoacutedico debido a que
persiste la disminucioacuten de Vcorr ahora con un cambio en el potencial hacia valores maacutes negativos
Al comparar los valores de Ecorr sin campo magneacutetico con los de campo magneacutetico se observa que
para la temperatura 60degC los valores de Ecorr se desplazan hacia valores maacutes electronegativos
Como se discutioacute anteriormente esto se debe a un control cineacutetico tipo anoacutedico Cuando se
considera la temperatura de 30degC se observa un desplazamiento hacia valores menos negativos es
7min 12min 17min
000
002
004
006
008
010
Vco
rr (
mm
an
o)
Tiempo de electrodeposicion
60degC Sin campo
60degC Con campo
30degC Sin campo
30degC Con campo
48
decir la cineacutetica estaacute controlada por la reaccioacuten catoacutedica Diversos trabajos reportan este mismo
efecto en donde el campo magneacutetico tiene un efecto sobre la reaccioacuten de reduccioacuten de oxiacutegeno
1198742 + 21198672119874 + 4119890minus harr 4119874119867minus
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica
Como se mencionoacute previamente en el apartado 167 referente a la teacutecnica de impedancia
mediante esta teacutecnica es posible evidenciar y cuantificar el efecto que tiene la capacitancia de una
interface electroquiacutemica y asiacute proporcionar informacioacuten complementaria al estudio de corrosioacuten
Las graacuteficas 32 33 y 34 correspondientes a los diagramas de Nyquist obtenidos en los
tres diferentes tiempos de electrodeposicioacuten a 60degC con y sin influencia de campo magneacutetico
Revelan en los tres casos que el campo magneacutetico disminuye la resistencia a la transferencia de
carga (Rtc) es decir el proceso de corrosioacuten se ve favorecido tal como se pudo mostrar en los
resultados de resistencia a la polarizacioacuten De igual manera se observa una disminucioacuten en la
resistencia del electrolito (Rs) esto debido a la fuerza convectiva (visible) que ejerce el campo
magneacutetico en el electrolito el cual provoca una mejor difusioacuten de los iones dicha informacioacuten es
consistente a lo reportado por Calivar e Ispas [67]
49
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
500
1000
1500
2000 50 mHz
60degC 7min SC
60degC 7min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
1000
2000
3000
50 mHz
60degC 12min SC
60degC 12min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
50 kHz
50 mHz
Re(Z) (Ohm cm2)
50
Graacutefica 34 EIE de 60degC 17min
34 Dureza Rugosidad y Espesor
La Tabla 35 muestra que la aplicacioacuten de un campo magneacutetico durante el proceso de
electrodeposicioacuten de niacutequel provoca que la dureza disminuya lo que significa que el recubrimiento
es menos susceptible a fracturarse este resultado es similar a lo reportado por Zielinski [11] y la
disminucioacuten de fracturas en sus peliacuteculas de Co-W ante la presencia de un campo magneacutetico
Tambieacuten es importante sentildealar que la rugosidad de cada niquelado presentoacute un
empobrecimiento lo que significa que el campo magneacutetico ayuda a obtener recubrimientos maacutes
uniformes
0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000
0
3000
6000
9000
12000
15000
18000 50 mHz
60degC 17min SC
60degC 17min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
51
Los espesores fueron calculados mediante la foacutermula que aparece en el Anexo 1-B y se
puede notar que eacuteste decrece ante la presencia del campo magneacutetico Esto se puede constatar de
igual forma a partir de los datos de impedancia los cuales permitieron calcular los valores de
capacitancia a partir de la ecuacioacuten de Brug (Ec 19) cuyos resultados se muestran en la Tabla
36
Como se puede observar los valores de capacitancia con el campo magneacutetico son mayores
en un orden de magnitud que aquellos donde no existe el campo permitiendo confirmar que el
espesor maacutes delgado se encuentra con la influencia del campo
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
A continuacioacuten se muestran las imaacutegenes topograacuteficas obtenidas en el MFA Con lo cual se puede
corroborar que ocurre una disminucioacuten en la rugosidad de las peliacuteculas de niacutequel con presencia de
campo magneacutetico
52
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC-7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC-12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC-17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
36 Difraccioacuten de Rayos X
Los patrones de difraccioacuten de los recubrimientos de Ni en acero 1018 Figura 37 se caracterizan
por la presencia de los planos de la estructura cuacutebica centrada en las caras de acuerdo al PDF 03-
065-4899 [32] Esta fase cristalina estuvo presente en todos los recubrimientos
De acuerdo con lo reportado por Hu [33] la energiacutea de activacioacuten para la evolucioacuten de
hidroacutegeno es mayor en el plano (111) que en el plano (200) del Ni Dicho de otra manera en el
53
plano (200) habraacute maacutes produccioacuten de hidroacutegeno gaseoso durante el proceso de electrodeposicioacuten
de niacutequel lo que trae consigo posiblemente recubrimientos porosos
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia de campo
magneacutetico
Para los depoacutesitos en presencia de campo magneacutetico a 7 y 12min se observa una orientacioacuten
preferencial en el plano (200) sin embargo el pico a 7min es mucho mayor que el de 12
comparando estos resultados con las pruebas electroquiacutemicas y de acuerdo a los reportado por Hu
[33] esto nos lleva a suponer que en este caso el recubrimiento es maacutes poroso y delgado de acuerdo
a las medidas de espesor (Tabla 35) Para el caso de 17min con campo magneacutetico se tiene una
orientacioacuten preferencial en el plano (111) esta muestra tiene un mejor comportamiento
electroquiacutemico de acuerdo a la Figura 33 ademaacutes de acuerdo a lo reportado por Hu [33] nos lleva
a deducir que este recubrimiento es el menos poroso de los tres con campo magneacutetico Lo anterior
explica por queacute la velocidad de corrosioacuten es mayor a 7min y va disminuyendo conforme aumenta
el tiempo de electrodeposicioacuten Y tambieacuten revela la causa por la que el potencial de corrosioacuten es
maacutes negativo en presencia del campo magneacutetico La porosidad tambieacuten nos explica la razoacuten por la
cual la dureza de los recubrimientos hechos en presencia del campo magneacutetico disminuye con
respecto a aquellos realizados en ausencia del mismo
40 45 50 55 600
4000
8000
12000
16000
20000
17min SC
17min CM
12 min CM
12 min SC
7min CM
Inte
nsid
ad
(U
A)
2 (grados)
60degC-7min SC
60degC-12min SC
60degC-17min SC
60degC-7min CM
60degC-12min CM
60degC-17min CM
Ni
7min SC
(111) (200)
54
La existencia de los poros en el recubrimiento propicia un par galvaacutenico Figura 38 entre
el niquelado electroliacutetico y el acero 1018 ya que este uacuteltimo es maacutes electronegativo por
consiguiente maacutes propenso a la corrosioacuten Tambieacuten estaacute el efecto de las diferencias de aacutereas entre
aacutenodo (acero) y caacutetodo (niquelado) siendo en este caso el caacutetodo quien posee mayor aacuterea de
exposicioacuten al ambiente es el aacutenodo quien se corroeraacute maacutes faacutecil y raacutepidamente
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni
37 Microscopia Electroacutenica de Barrido
Las Figuras 39 310 y 311 muestran las imaacutegenes obtenidas en el MEB de los recubrimientos de
Ni a 60degC 7min 12min y 17min respectivamente Se aprecia una morfologiacutea maacutes uniforme con la
presencia de campo magneacutetico y las aglomeraciones de partiacuteculas metaacutelicas son mucho maacutes
grandes que sus homoacutelogos sin influencia del campo
55
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y sin influencia
de campo magneacutetico
56
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min con y sin
influencia de campo magneacutetico
57
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min con y sin
influencia de campo magneacutetico
58
Conclusiones
A partir de los resultados experimentales obtenidos en el presente trabajo se puede concluir lo
siguiente
La eficiencia de electrodepositacioacuten es funcioacuten de la pureza del aacutenodo y de la corriente
aprovechada por la reaccioacuten de reduccioacuten de hidroacutegeno
El aumento en el tiempo de electrodepositacioacuten conduce a un aumento en la masa de niacutequel
electrodepositada esto es vaacutelido para la condicioacuten sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico
sin embargo esto no garantiza la disminucioacuten de Vcorr
Sin campo magneacutetico los resultados obtenidos a 30degC y 60degC muestran que la Vcorr
disminuye conforme el tiempo de electrodepoacutesito de niacutequel aumenta Tambieacuten en ausencia del
campo las Vcorr obtenidas a 30degC son menores comparadas con las Vcorr a 60degC a excepcioacuten de
17 min
Sin campo magneacutetico se observa que la degradacioacuten del niquelado estaacute controlada por una
cineacutetica anoacutedica lo cual es vaacutelido para 30degC y para 60degC con excepcioacuten de 30degC y 17 min donde
la cineacutetica que controla es catoacutedica Asimismo a 30degC con campo magneacutetico se observa que la
cineacutetica que controla el sistema es la catoacutedica lo cual sugiere que la reaccioacuten de reduccioacuten de
oxiacutegeno ser manipulada por el campo magneacutetico
En presencia del campo magneacutetico se encontroacute que la resistencia de la solucioacuten disminuyoacute
tanto a 30degC como a 60degC debido a una fuerza adicional convectiva que provoca el campo
magneacutetico
La Vcorr es dependiente de la cantidad de masa depositada pero tambieacuten del ordenamiento
cristalino que los aacutetomos de niacutequel adquieren al momento del electrodepoacutesito
En presencia del campo magneacutetico las micrografiacuteas MEB revelan superficies con menos
rugosidad respecto a las muestras sin campo magneacutetico
A 60degC hay poca o nula contribucioacuten del campo magneacutetico mientras que a 30degC si hay una
contribucioacuten del campo pero es negativa respecto a la Vcorr
59
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62
Anexo 1 Caacutelculos
1-A Caacutelculo de eficiencia
En la praacutectica la corriente suministrada a un sistema no es aprovechada al 100 pues hay
peacuterdidas de corriente por diversos motivos entre otros
a) Desviacioacuten de corriente por caminos secundarios
b) Impurezas de las soluciones (las cuales dan reacciones secundarias)
c) Resistencia eleacutectrica propia del bantildeo electroliacutetico
d) Peacuterdidas por transformacioacuten de energiacutea eleacutectrica a energiacutea caloriacutefica
e) Fenoacutemenos de polarizacioacuten
Entonces se puede decir que
Eficiencia en corriente = 119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119905119890oacute119903119894119888119886
119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119904119906119898119894119899119894119904119905119903119886119889119886 119903119890119886119897x100
1-B Caacutelculo de Espesor
El meacutetodo maacutes satisfactorio para medir el espesor promedio de una capa es disolverla y determinar
el peso de la misma a partir de una muestra cuya aacuterea se conozca en el caso de este estudio se
pesaron las placas antes y despueacutes del electrodepoacutesito para determinar la masa depositada El
espesor se calcula asiacute a partir del peso y del aacuterea y de la densidad o peso especiacutefico del depoacutesito
utilizando la foacutermula
T (espesor) = 119862119882 (119901119890119904119900)
119860(aacute119903119890119886)times119863(119901119890119904119900 119890119904119901119890119888iacute119891119894119888119900)
En donde C es una constante que depende simplemente de las unidades utilizadas En
unidades meacutetricas la ecuacioacuten se transforma en
T(mm) = 10119882(119892119903)
119860(1198881198982)times119863
63
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 7min
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 12min
-0000006 -0000003 0000000 0000003
-040
-038
-036
-034
-032
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
-0000004 -0000002 0000000 0000002
-035
-034
-033
-032
-031
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
64
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 17min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 7min
-00000006 -00000003 00000000 00000003 00000006
-026
-024
-022
-020
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
-00000027 -00000018 -00000009 00000000 00000009 00000018
-028
-024
-020
-016
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
65
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 12min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 17min
-0000004 -0000002 0000000 0000002 0000004
-038
-036
-034
-032
-030
-028
-026
-024
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
-0000006 -0000003 0000000 0000003 0000006 0000009
-032
-031
-030
-029
-028
-027
-026
-025
-024
-023
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
1
Introduccioacuten
En los Reactores de agua en ebullicioacuten (BWR por sus siglas en ingleacutes) la radioacutelisis del agua
produce un medio altamente oxidante [1] que genera que los materiales estructurales presenten un
elevado potencial electroquiacutemico de corrosioacuten (PEC) cuando estaacuten en contacto con el agua en el
BWR Este PEC incrementa la propensioacuten a experimentar agrietamiento por corrosioacuten bajo
esfuerzos (SCC) [2] y agrietamiento por corrosioacuten intergranular bajo esfuerzos (IGSCC) [3] en los
materiales de los componentes internos tales como acero inoxidable aleaciones base niacutequel y las
zonas afectadas por el calor (HAZ) propias de un proceso de soldadura Ademaacutes en las condiciones
de alta temperatura del reactor BWR se forma una capa de oacutexido que puede ser hematita en
condiciones de alto oxiacutegeno o magnetita en condiciones de bajo oxiacutegeno Este segundo oacutexido es
un imaacuten por naturaleza por lo que este estudio contribuiraacute ademaacutes a discernir y en dado caso a
explicar si la presencia de un oacutexido magneacutetico o de otro que no lo sea tiene una influencia en la
deposicioacuten de recubrimientos alternos para mitigar el agrietamiento por corrosioacuten bajo esfuerzos
(SCC por sus siglas en ingleacutes) de los materiales de componentes internos de reactores BWR
El electrodepoacutesito de niacutequel sobre una superficie metaacutelica se hace con el fin de proteger las
piezas de la corrosioacuten pues posee buenas propiedades anticorrosivas y buena resistencia al
desgaste Los recubrimientos de niacutequel se utilizan en numerosos sectores industriales electroacutenica
componentes eleacutectricos petroquiacutemica automocioacuten etc [4] Por ello el presente trabajo muestra la
utilizacioacuten de un campo magneacutetico de 15 a 34 T (Valor fluctuante) para la obtencioacuten de
recubrimientos de Ni en acero un acero bajo carbono especiacuteficamente el AISI 1018 Las
propiedades de dichos recubrimientos se evaluaron mediante teacutecnicas electroquiacutemicas como Rp y
EIE para determinar las velocidades de corrosioacuten de las peliacuteculas De igual manera se estudiaron
los recubrimientos mediante DRX MEB y MFA Para finalmente establecer la influencia positiva
o negativa de dicho campo magneacutetico en los procesos de deposicioacuten electroliacutetica
2
Justificacioacuten
Para mitigar el SCC de los componentes internos de los BWR [5] en la actualidad se antildeaden sales
como precursores metaacutelicos por ejemplo Na2Pt(OH)6 que se transforman en partiacuteculas metaacutelicas
al entrar en contacto con el acero debido a la diferencia de potencial entre Fe y Pt [6] adhirieacutendose
al acero estructural por medio de procesos de precipitacioacuten Estas partiacuteculas catalizan las reacciones
de recombinacioacuten de especies oxidantes disminuyendo los procesos de corrosioacuten del acero sin
embargo los catalizadores basados en Pt tienen el inconveniente de costo elevado [7]
En este sentido una posible opcioacuten es la electrodeposicioacuten de un metal sobre la superficie
que se interesa proteger pero la efectividad de estos depoacutesitos depende de la preparacioacuten de la
superficie y de aspectos teacutecnicos ya estandarizados en normativas por ejemplo la Norma ISO
1458-1974 ldquoMetallic coatingsrdquo Si bien son de los mejores meacutetodos para proteger un metal auacuten
presentan diversas anomaliacuteas que generan superficies porosas falta de cohesioacuten y peliacuteculas
amorfas lo que conlleva a altos costos de produccioacuten debido a que se debe repetir el proceso y
contaminacioacuten ambiental a causa de los reactivos quiacutemicos usados para limpiar nuevamente la
superficie a recubrir
Debido a lo anterior este estudio tiene por objeto determinar si el campo magneacutetico influye
o no en las propiedades de adherencia rugosidad y eficiencia de un electrodepoacutesito de niacutequel
Siendo los mayores beneficiarios con este trabajo investigativo el ambiente la industria
galvanoplaacutestica y la comunidad electroquiacutemica
3
Objetivo General
Evaluar el efecto de un campo magneacutetico sobre las propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero bajo carbono especiacuteficamente en un acero AISI 1018
Objetivos Especiacuteficos
1- Elaborar electrodepoacutesitos de niacutequel en acero 1018 con y sin presencia de campo magneacutetico
2- Evaluar los electrodepoacutesitos mediante corriente directa y alterna
3- Analizar los electrodepoacutesitos por medio de pruebas fiacutesicas y quiacutemicas
4- Determinar el efecto de un campo magneacutetico en un electrodepoacutesito de niacutequel
4
Hipoacutetesis
El campo magneacutetico provoca una orientacioacuten en los iones yo moleacuteculas del electrolito destinado
a la electrodeposicioacuten con ello se modifican ciertas propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero 1018
5
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico
11 Antecedentes
El efecto de un campo magneacutetico sobre la orientacioacuten de las moleacuteculas durante un proceso de
formacioacuten de un producto ha sido muy poco estudiado En la industria se encuentran algunos casos
sin que haya reportes formales A continuacioacuten se discutiraacuten algunos de ellos
El ldquoFuel Energy Saverrdquo (Figura 11) es un producto de la compantildeiacutea mexicana ldquoEnergy
Saverrdquo se trata de un inductor de resonancia magneacutetica de alta potencia que genera frecuencias
especiacuteficas la cual fractura las cadenas de hidrocarburos alineando y haciendo todas las moleacuteculas
maacutes accesibles al oxiacutegeno lo que se traduce en una mejor combustioacuten con el consiguiente ahorro
de combustible y reduccioacuten de contaminacioacuten [8] Es aplicable para cualquier tipo de combustible
(gas natural gas LP dieacutesel combustoacuteleo gasoacuteleo) y puede ser usado en todo equipo de iacutendole
industrial (hornos calderas calentadores secadores estufas)
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver
Algunas empresas del ramo automotriz (por ejemplo Mercedes Benz) estaacuten empleando el
principio del FES para que por medio un campo magneacutetico se orienten las moleacuteculas del
combustible y de oxiacutegeno antes de que eacutestas sean consumidas La explicacioacuten a este fenoacutemeno fue
dada por Kita amp Kulish [9] que consiste en lo siguiente el combustible se consumiraacute a medida que
haya oxiacutegeno disponible Si en lugar de que el oxiacutegeno se alimente de manera ldquodesordenadardquo eacuteste
pudiera ser orientado antes de entrar a la caacutemara de combustioacuten se lograriacutea un mejor consumo de
combustible-oxiacutegeno lo cual se traduce en mayor potencia en el motor y un mejor
aprovechamiento del combustible es decir habriacutea menor cantidad de contaminantes (NOx y CO2)
en el escape
6
Otro ejemplo del uso de campos magneacuteticos se puede encontrar en la formacioacuten de
calcaacutereos en intercambiadores de calor La industria que sufre de formacioacuten de dichos productos
tambieacuten ha encontrado beneficios con el uso de un campo magneacutetico colocado en el depoacutesito de
agua y se observa que los productos calcaacutereos se desvanecen tal como se aprecia en la Figura 12
La explicacioacuten a este efecto se atribuye nuevamente a la reorientacioacuten de las moleacuteculas dando como
consecuencia una estructura amorfa en lugar de una cristalina caracteriacutestica de los calcaacutereos [10]
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes (izq)
Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico aplicado
Por el lado de las investigaciones cientiacuteficas se tiene el anaacutelisis del efecto de un campo
magneacutetico de 12 T en la electrodeposicioacuten y estructura de las aleaciones cobalto-tungsteno con
ello Zielinski [11] pudo establecer que la aplicacioacuten del campo magneacutetico cambioacute la composicioacuten
quiacutemica y la morfologiacutea de las aleaciones Co-W
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas (izq) Con
campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
7
De la misma manera Ferreira y Colnago [12] estudiaron la influencia del campo magneacutetico
de una resonancia magneacutetica nuclear (RMN) durante la reaccioacuten electroliacutetica del cobre Sus
resultados fueron exitosos pues la reaccioacuten en presencia de un campo magneacutetico de 023 T tuvo
un rendimiento del doble que la de la reaccioacuten en ausencia de dicho campo
Finalmente pero no menos importantes Calivar [13] con su creacioacuten de modelos de
conveccioacuten magneacutetica en electrodeposicioacuten de peliacuteculas delgadas de cobre y tambieacuten Ispas [14]
con su estudio del efecto de un campo magneacutetico de 05 T en la electrodeposicioacuten de la aleacioacuten
Ni-Fe Ambos llegaron a la misma conclusioacuten un campo magneacutetico provoca una conveccioacuten en el
fluido el cual provoca una contribucioacuten adicional de masa-transporte
12 Generalidades
121 El campo magneacutetico
Se trata de un campo que ejerce fuerzas (denominadas magneacuteticas) sobre los materiales Es una
magnitud vectorial pero no produce ninguacuten efecto sobre cargas en reposo (como siacute lo hace el
campo eleacutectrico doacutende las acelera a traveacutes de la fuerza eleacutectrica) Sin embargo el campo magneacutetico
siacute tiene influencia sobre cargas eleacutectricas en movimiento [15]
Por ejemplo en el estado soacutelido si una carga en movimiento atraviesa un campo magneacutetico
la misma sufre la accioacuten de una fuerza magneacutetica que no modifica la velocidad pero siacute la
trayectoria Cabe mencionar que en el estado liacutequido o en el estado gaseoso el efecto del campo
magneacutetico no estaacute bien definido
Figura 14 El campo magneacutetico
8
La unidad de campo magneacutetico en el Sistema Internacional es el tesla (T) Un tesla se define
como el campo magneacutetico que ejerce una fuerza de 1 N (newton) sobre una carga de 1 C (coulomb)
que se mueve a velocidad de 1 ms dentro del campo
122 Definicioacuten de corrosioacuten
Se denomina corrosioacuten al ataque destructivo de un material generalmente metaacutelico por reaccioacuten
quiacutemica o electroquiacutemica con su medio ambiente (atmoacutesfera suelo agua etc)
La reaccioacuten baacutesica de corrosioacuten es
M Mn+ + ne-
De acuerdo con ello tambieacuten es posible definir la corrosioacuten desde un punto de vista maacutes
electroquiacutemico como el traacutensito de un metal de su forma elemental a su forma ioacutenica o combinada
con una respectiva cesioacuten de electrones [16] Dicho de otra manera el metal a traveacutes de la
corrosioacuten retorna a su forma combinada formando oacutexidos sulfuros hidroacutexidos etc Pues asiacute es
como los metales se encuentran habitualmente en la naturaleza por tratarse de formas
termodinaacutemicamente maacutes estables
El proceso de corrosioacuten es natural y espontaacuteneo y cuanto mayor es la energiacutea gastada en la
obtencioacuten del metal a partir del mineral tanto maacutes es la tendencia del metal a regresar a su forma
basal es decir mucho maacutes favorecida termodinaacutemicamente estaacute la reaccioacuten de oxidacioacuten
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten
Tradicionalmente se establecen dos procesos baacutesicos de ataques corrosivos atendiendo al medio
en el que se producen
Corrosioacuten seca
Corrosioacuten huacutemeda
1231 Corrosioacuten seca
Tiene lugar cuando el material se encuentra sometido a la accioacuten de gases principalmente a
temperaturas elevadas por lo que no se tiene un electrolito condensado Este tipo de corrosioacuten es
la que se produce en calderas sobrecalentadores reactores etc en la parte que estaacute en contacto
con los productos de combustioacuten
9
En la corrosioacuten seca los oacutexidos que se forman son de caraacutecter ioacutenico (cationes metaacutelicos y
aniones de oacutexido regularmente distribuidos) La estructura cristalina formada presenta
normalmente defectos reticulares (deficiencias ioacutenicas) a traveacutes de los cuales se produce la
difusioacuten de iones
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca
1232 Corrosioacuten huacutemeda
Tiene lugar cuando el material se encuentra en medios acuosos (Figura 16) Se produce
normalmente a temperatura ambiente o no muy elevada Es la maacutes extendida por cuanto afecta a
un sinfiacuten de elementos en los que el material es usado en tanques tuberiacuteas intercambiadores
precalentadores carcasas estructuras buques etc
Todos los procesos de corrosioacuten involucran transferencia de carga (iones y electrones) en
particular en el caso de corrosioacuten huacutemeda eacutesta se da a traveacutes de soluciones acuosas (electrolitos)
las cuales son eleacutectricamente conductoras En general el proceso requiere de tres etapas
1) Oxidacioacuten Los aacutetomos metaacutelicos aumentan su valencia al ceder electrones convirtieacutendose
en iones positivos los cuales pasan al electrolito
2) Transporte de carga Los electrones son transferidos al caacutetodo
3) Reduccioacuten Reaccioacuten donde se consumen los electrones generados en la oxidacioacuten
Este tipo de corrosioacuten es netamente electroquiacutemico ya que es un proceso en el que se llevan
a cabo reacciones de oxidacioacuten y de reduccioacuten de ahiacute que se conozca coacutemo proceso REDOX Cabe
mencionar que se puede favorecer una reaccioacuten u otra en caso de inclinarse por la oxidacioacuten
10
entonces se da la corrosioacuten y si es la reduccioacuten se puede proteger al metal por ejemplo con
electrodepoacutesitos
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda
124 Tipos de ataque por corrosioacuten
Es importante sentildealar que la corrosioacuten huacutemeda presenta dos tipos de ataque corrosioacuten uniforme y
corrosioacuten localizada
a) Corrosioacuten uniforme homogeacutenea o generalizada El ataque se extiende de forma
homogeacutenea sobre toda la superficie metaacutelica y por tanto la peacuterdida de material es
aproximadamente la misma en todos los puntos A este tipo de ataque se le identifica por
crecimiento 2D debido a que se desarrolla preferentemente a lo largo de la superficie Por
consiguiente es relativamente faacutecil estimar la vida uacutetil de los materiales metaacutelicos que lo
sufren
b) Corrosioacuten localizada El ataque no se distribuye de forma homogeacutenea localizaacutendose por
el contrario en determinadas zonas de la superficie metaacutelica A este tipo de ataque se le
conoce por crecimiento 3D debido a que se desarrolla de manera local dando preferencia a
la profundidad maacutes que a la superficie Dentro de este tipo de corrosioacuten existe a su vez
otra clasificacioacuten que se menciona a continuacioacuten
11
a Corrosioacuten por picadura
b Corrosioacuten por hendidura
c Corrosioacuten galvaacutenica
d Corrosioacuten intergranular
e Corrosioacuten bajo tensioacuten
f Corrosioacuten cavitacioacuten
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten
125 Celdas electroquiacutemicas
En corrosioacuten una celda es un dispositivo en el cual se producen reacciones quiacutemicas de oxidacioacuten
y reduccioacuten El aparato se integra de las siguientes partes sustancia que contiene iones (electrolito)
dos electrodos (caacutetodo y aacutenodo) y una conexioacuten eleacutectrica entre ambos electrodos
Existen dos tipos de celdas las electroliacuteticas que requieren un voltaje externo (fuente de
poder) y las electroquiacutemicas o galvaacutenicas que solamente necesitan un instrumento para registrar
voltaje Por lo cual se dice que las primeras son no espontaacuteneas y las segundas espontaacuteneas
Termodinaacutemicamente una reaccioacuten espontaacutenea presenta una energiacutea libre de Gibbs negativa y la
no espontaacutenea positiva tal como se aprecia en la Tabla 11
12
1251 Celda galvaacutenica
Una celda galvaacutenica (Figura 18) es aquella en la cual la energiacutea quiacutemica es convertida en energiacutea
eleacutectrica por medio de una reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea Esto se debe a que un metal es maacutes activo
y otro maacutes noble aacutenodo y caacutetodo respectivamente seguacuten la serie galvaacutenica por lo que al ser
conectados eleacutectricamente producen un flujo de electrones desde el caacutetodo al aacutenodo Dicho flujo
genera un potencial eleacutectrico que puede ser medido experimentalmente
Los requisitos para que se produzca un proceso de corrosioacuten en una pila galvaacutenica son los
siguientes
1 Dos superficies con distinto potencial electroacutedico
a Una de ellas que constituye al aacutenodo de la reaccioacuten al ceder electrones sufriraacute la
corrosioacuten Es decir aquiacute se lleva a cabo la reaccioacuten de oxidacioacuten Es el polo
negativo
Mdeg Mne- + ne-
b La otra que constituye el caacutetodo ganaraacute los electrones cedidos por el aacutenodo En
esta zona ocurriraacute la reaccioacuten de reduccioacuten Es el polo positivo
Mne- + ne- Mdeg
13
2 Un electrolito conductor ioacutenico que contiene los elementos caracteriacutesticos del medio
corrosivo Es justo aquiacute en el seno de la solucioacuten donde ocurre el transporte de materia
3 Una conexioacuten eleacutectricamente conductora entre el aacutenodo y el caacutetodo para que sea posible
el transporte de carga
Figura 18 Celda galvaacutenica
1252 Celda electroliacutetica
Las celdas electroliacuteticas no son espontaacuteneas por lo que debe aplicarse externamente un potencial
eleacutectrico para que funcionen Al proveer dicha energiacutea se fuerza a que una corriente eleacutectrica pase
por la celda con el fin de generar reacciones quiacutemicas de oacutexido-reduccioacuten en la superficie de los
electrodos de dicha celda Uno de los procesos maacutes conocidos es el electrodepoacutesito de metales
como cobre niacutequel o zinc Es importante puntualizar que aquiacute el aacutenodo estaraacute cargado
positivamente y el caacutetodo negativamente contrario a lo sucedido en las celdas galvaacutenicas
Las partes que conforman a la celda electroliacutetica son las siguientes
1 Electrolito Al igual que en las celdas galvaacutenicas se necesita de un conductor ioacutenico
2 Aacutenodo En este tipo de celdas el aacutenodo posee el polo positivo y aquiacute se lleva a cabo la
oxidacioacuten de la especie electroquiacutemica
3 Caacutetodo Eacuteste es el polo negativo y en eacutel se produce la reduccioacuten de la especie
electroquiacutemica
14
4 Fuente de energiacutea Es quien aplica la energiacutea necesaria para poder invertir el sentido
natural de la corriente dando lugar a una reaccioacuten quiacutemica opuesta a la que se produce
espontaacuteneamente en la pila
Figura 19 Celda electroliacutetica
13 Principios Electroquiacutemicos
131 Electrolitos
Todos los solutos que se disuelven en agua se agrupan en dos categoriacuteas electrolitos y no
electrolitos Un electrolito es una sustancia que cuando se disuelve en agua forma una disolucioacuten
capaz de conducir la electricidad Un no electrolito por lo tanto no conduce la corriente eleacutectrica
cuando se disuelve en agua
1311 Tipos de electrolitos
Los electrolitos se clasifican en fuertes y deacutebiles Los primeros son sustancias que estaacuten casi
completamente disociadas en la solucioacuten e incluyen soacutelidos ioacutenicos y aacutecidos fuertes Los uacuteltimos
poseen enlaces tan fuertes que muy difiacutecilmente se ionizan en solucioacuten permaneciendo la mayor
parte en forma de moleacuteculas las cuales no tienen la capacidad de transportar carga eleacutectrica como
lo hacen los iones Es importante mencionar que los electrolitos por buenos conductores de la
electricidad que puedan ser siempre tendraacuten menor capacidad para conducir la electricidad que los
materiales soacutelidos [17]
15
132 Ley de Ohm
Una de las maacutes importantes caracteriacutesticas eleacutectricas de un material soacutelido es la facilidad con que
transmite una corriente eleacutectrica La ley de Ohm relaciona la corriente (I) o sea el paso de carga
por unidad de tiempo con el voltaje aplicado (V) de la manera siguiente
V = IR
Donde R es la resistencia del material a traveacutes del cual pasa la corriente Las unidades de
V I y R son respectivamente voltios (V) amperios (A) y ohmios (Ω)
133 Leyes de Faraday
En electroquiacutemica es de suma importancia poder determinar la velocidad a la que ocurren las
reacciones de oacutexido-reduccioacuten cuando una corriente atraviesa una interfase soacutelido-electrolito pues
esto trae como consecuencia un transporte de materia resultado de la peacuterdida (oxidacioacuten) o
ganancia (reduccioacuten) de masa en el electrodo de trabajo
Cabe mencionar que las caracteriacutesticas superficiales del electrodo y las interacciones del
electrolito en dicha superficie son las que determinan la velocidad de reaccioacuten de un proceso
electroquiacutemico [18] Sin embargo hay tantos factores que pueden afectar directamente la velocidad
de reaccioacuten que por ello las leyes de Faraday solo son utilizables cuando el proceso controlador es
la transferencia de carga
Con las investigaciones del fiacutesico britaacutenico Michael Faraday (1791-1867) se descubrieron
las relaciones cuantitativas entre la cantidad de electricidad que pasa a traveacutes de una solucioacuten y la
cantidad de materia separada o precipitada en los electrodos Es decir con dichas expresiones es
posible calcular el transporte de materia en la interfase soacutelido-electrolito [16]
Primera Ley La masa de un ion liberado o depositado en un electrodo es proporcional a
la cantidad de electricidad que pase a traveacutes de la solucioacuten
Ec 11
16
m = 119868119905119875119860
119899119865
Donde PA es el peso atoacutemico la I la corriente en Amperes t el tiempo que pasa dicha carga
en segundos n el nuacutemero de equivalentes involucrados y F la constante de Faraday
Segunda Ley Las cantidades de sustancias liberadas o depositadas por una cantidad de
electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes Aplica cuando una misma
cantidad de electricidad atraviesa distintos electrolitos es decir cuando el proceso se lleva a cabo
en serie
1198981
1198901=
1198982
1198902
Donde m1 y m2 son las masas depositadas y e1 y e2 son los equivalentes quiacutemicos El
equivalente quiacutemico es la relacioacuten entre el peso atoacutemico y el nuacutemero de oxidacioacuten del compuesto
en cuestioacuten
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary
La ecuacioacuten de Stern-Geary establece la relacioacuten entre la densidad de corriente de corrosioacuten (icorr)
es decir la velocidad de corrosioacuten con la resistencia a la polarizacioacuten [19]
119894119888119900119903119903 = 119861
119877119875
119861 = 119887119886119887119888
2303 (119887119886 + 119887119888)
Donde ba y bc son las pendientes de Tafel anoacutedica y catoacutedica respectivamente
La constante B en la ecuacioacuten sirve para presentar una relacioacuten existente entre las
pendientes de Tafel Para que la ecuacioacuten de Stern-Geary sea aplicable es imperativo que exista
comportamiento tafeliano en el sistema electroquiacutemico
Ec 12
Ec 13
Ec 14
Ec 15
17
14 Control de la corrosioacuten
Baacutesicamente todos los meacutetodos que existen para lograr controlar la corrosioacuten de los materiales
metaacutelicos son intentos para interferir con el mecanismo de corrosioacuten de tal manera que se pueda
hacer que eacuteste sea lo maacutes ineficiente posible Dado que para que exista un proceso de corrosioacuten
debe formarse una pila o celda de corrosioacuten ademaacutes de una diferencia de potencial entre los
electrodos o zonas anoacutedicas y catoacutedicas la eliminacioacuten de alguno de los componentes esenciales
de la mencionada pila podriacutea llegar a detener el proceso [20]
En la praacutectica existen tres maneras de lograr lo anterior y enseguida se explicaraacute en queacute
consiste cada una Sin embargo es muy importante sentildealar que ninguacuten meacutetodo elimina la
corrosioacuten sino que todos disminuyen la velocidad de la reaccioacuten de oxidacioacuten ya que el metal
siempre buscaraacute la condicioacuten de miacutenima energiacutea que es la formacioacuten de oacutexidos e hidroacutexidos
141 Proteccioacuten catoacutedica
Se debe recordar que toda estructura propensa a corroerse presenta zonas catoacutedicas y anoacutedicas
siendo estas uacuteltimas aquellas aacutereas donde se lleva a cabo la corrosioacuten Pero si todas las aacutereas
anoacutedicas se pudieran convertir en catoacutedicas la estructura completa funcionariacutea como caacutetodo y la
corrosioacuten se disminuiriacutea considerablemente [21] Ese es el mecanismo de accioacuten de la proteccioacuten
catoacutedica y se puede llevar a cabo de dos maneras tal como lo muestra la Figura 110
Por corriente impresa La proteccioacuten se logra aplicando una corriente externa a partir de
un rectificador que suministra corriente continua de bajo voltaje El terminal positivo de la
fuente de corriente se conecta a un aacutenodo auxiliar (grafito por ejemplo) localizado a una
determinada distancia de la estructura a proteger y el terminal negativo se conecta a la
estructura metaacutelica
Por aacutenodos de sacrificio El metal a proteger se conecta a otro metal menos noble seguacuten
la serie galvaacutenica que actuaraacute como aacutenodo en la celda de corrosioacuten En ese caso la
estructura actuaraacute como caacutetodo y quedaraacute protegida por el ldquosacrificiordquo del aacutenodo que se
corroeraacute
18
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de sacrificio de
magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
142 Inhibidores de corrosioacuten
Los inhibidores son sustancias orgaacutenicas o inorgaacutenicas que se agregan a la solucioacuten corrosiva con
el fin de disminuir su poder de ataque y asiacute reducir la velocidad de corrosioacuten Se puede decir que
un inhibidor es un calmante de la corrosioacuten pues como ya se mencionoacute con anterioridad ninguacuten
meacutetodo la elimina en su totalidad
El comportamiento de los inhibidores puede ser muchas veces peligroso ya que en funcioacuten
de la concentracioacuten pueden jugar tanto el papel de inhibidores como de estimuladores de la
corrosioacuten [21]
Los hay de dos tipos aunque a veces se utiliza una combinacioacuten de ambos
1) Inhibidores anoacutedicos Actuacutean formando un compuesto insoluble el cual precipita en los
lugares afectados por la peacuterdida de materia evitando la reaccioacuten anoacutedica y por lo tanto
inhibe la corrosioacuten Ejemplos hidroacutexido soacutedico carbonato silicato y borato de sodio
ciertos fosfatos cromato soacutedico nitrito y benzoato de sodio etc
2) Inhibidores catoacutedicos Actuacutean sobre toda la superficie formando una capa o peliacutecula de
alta resistencia eleacutectrica la cual funciona como una barrera para la corriente de corrosioacuten
Ejemplos sulfato de zinc sulfato de magnesio bicarbonato de calcio etc
143 Recubrimientos protectores
Los recubrimientos representan la primera liacutenea en la lucha contra la corrosioacuten Los recubrimientos
sea cual fuere su tipo no mejoran las caracteriacutesticas mecaacutenicas del elemento sin embargo
preservan su resistencia e integridad Sus objetivos pueden ser variados siendo el principal aislar
la estructura del medio agresivo con el que se encuentra en contacto (agua suelo y atmoacutesfera por
lo general) aunque tambieacuten cumplen en ocasiones fines cosmeacuteticos
19
En general se emplean bajo condiciones muy amplias como puede ser exposicioacuten
atmosfeacuterica inmersioacuten en agua estructuras enterradas elementos sometidos a quiacutemicos etc Los
recubrimientos representan la uacuteltima etapa de los procesos de fabricacioacuten de cualquier pieza
sistema o equipo siendo normalmente aplicados antes del ensamble [21] Existe por lo tanto una
amplia gama de materiales que pueden ser utilizados como recubrimientos de los metales
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos
Orgaacutenicos Los recubrimientos orgaacutenicos son poliacutemeros y resinas producidas en forma
natural o sinteacutetica generalmente formulados para aplicarse como liacutequidos que se secan o
endurecen como peliacuteculas delgadas en materiales del sustrato Por ejemplo las pinturas
Inorgaacutenicos Los recubrimientos inorgaacutenicos proporcionan acabados tersos y maacutes
duraderos los maacutes usados son el vidrio y los ceraacutemicos
Metaacutelicos Los recubrimientos metaacutelicos se aplican mediante capas finas que funcionen
como aacutenodos sacrificables que puedan ser corroiacutedos en lugar del metal subyacente Por
ejemplo Niquelado cromado galvanizado electroliacutetico inmersioacuten en caliente etc
15 Galvanoplastia
La galvanoplastia es una teacutecnica que proporciona un recubrimiento metaacutelico a una estructura que
deseamos proteger El elemento adherido modifica las propiedades superficiales del material sobre
el cual se depositan promoviendo caracteriacutesticas que son imposibles de obtener en el metal base
Es un meacutetodo que se fundamenta en la electroacutelisis para asiacute cubrir un metal base con un fina
capa de otro metal ya sea cobre niacutequel cromo oro plata con el fin de embellecerlo o impartirle
resistencia a la corrosioacuten
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten
La electrodeposicioacuten puede ser de un solo metal de capas de diferentes metales o de una aleacioacuten
(por ejemplo latoacuten) Los metales maacutes utilizados para electrodepoacutesito son en orden de importancia
zinc niacutequel estantildeo y cadmio [22] Tambieacuten es usual recubrir con oro plata y platino En el caso
de aleaciones es comuacuten la aplicacioacuten de Babbitts (aleaciones Pb-Sn) Es conveniente mencionar
que la mayoriacutea de los metales se pueden depositar por eacuteste procedimiento
20
En teacuterminos simples este proceso consiste en la inmersioacuten de la parte a recubrir en un
electrolito que contenga iones del metal a depositar para asiacute proceder al paso de una corriente
directa que permita el depoacutesito en la pieza (caacutetodo) donde los iones son repuestos por la accioacuten de
la propia corriente sobre el aacutenodo
Pero iquestcoacutemo sucede realmente el fenoacutemeno de la electrodeposicioacuten A continuacioacuten se
daraacute una explicacioacuten maacutes detallada sin embargo solo las reacciones en el caacutetodo seraacuten presentadas
ya que en general las reacciones en un aacutenodo soluble seraacuten las inversas de aquellas presentes en
el caacutetodo
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre
Suponga una solucioacuten de una sal metaacutelica tal como el sulfato de cobre (Figura 111) la sal
se disocia considerablemente formando cationes cargados positivamente y aniones cargados
negativamente como ya se ha mencionado anteriormente El agua presente se disocia un poco para
formar iones hidroacutegeno e hidroxilo Todo aacutecido sulfuacuterico presente se disocia tambieacuten en iones
hidroacutegeno y en iones ya sea HSO4- o ya sea SO4
-2 La mayor parte de estos iones estaacuten hidratados
o sea que se encuentran combinados con una o maacutes moleacuteculas de agua
Cuando se aplica un potencial a dos electrodos en una solucioacuten asiacute los cationes cargados
positivamente emigran hacia el caacutetodo y los aniones negativos se mueven hacia el aacutenodo En una
solucioacuten acidificada la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es relativamente alta y la de los iones
hidroxilo es muy baja En virtud de que los iones hidroacutegeno se mueven maacutes raacutepidamente que los
iones cobre la mayor parte de la corriente es llevada hacia el caacutetodo por los iones hidroacutegeno Sin
embargo es maacutes faacutecil descargar los iones cobre asiacute que praacutecticamente toda la corriente que se usa
en el caacutetodo es para depositar cobre
21
Es difiacutecil representar el proceso implicado en el depoacutesito real de un metal sobre el sustrato
El caacutetodo se encuentra cargado negativamente o sea tiene una concentracioacuten de electrones
relativamente alta los cuales siempre aprovechan la oportunidad de combinarse con iones cargados
positivamente para asiacute formar los aacutetomos metaacutelicos
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel
El niacutequel (Ni) es un elemento quiacutemico de nuacutemero atoacutemico 28 situado en el grupo 10 de la tabla
perioacutedica de los elementos Es un metal blanco plateado duro maleable y duacutectil que puede
presentar un intenso brillo
Como elemento aleante proporciona resistencia tenacidad y proteccioacuten contra la corrosioacuten
El uso principal del niacutequel como metal es en la electrodeposicioacuten de piezas ya que funge como
protector corrosivo y de desgaste ante otros materiales que suelen ser maacutes susceptibles
ambientalmente tal como el hierro o el acero ademaacutes de embellecer la superficie El niacutequel es un
metal muy poco activo y bajo casi todas las condiciones tiende a resistir manchas y oxidacioacuten [23]
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel
Normalmente los galvanizados de niacutequel se hacen a partir de soluciones aacutecidas variando en un
rango de pH de 15 a 60 Una excepcioacuten es el uso de un bantildeo alcalino amoniacal de niacutequel con un
pH cerca de 9 [22]
A pesar de las muchas foacutermulas de bantildeos de niacutequel casi todas ellas contienen tres componentes
esenciales
Sulfato de niacutequel Constituye la principal fuente de iones niacutequel ademaacutes de controlar los
liacutemites admisibles de densidad de corriente
Cloruro de niacutequel Suministra los iones cloruros necesarios para asegurar la corrosioacuten de
los aacutenodos de niacutequel Tambieacuten es una fuente secundaria de iones niacutequel
Aacutecido boacuterico Actuacutea como agente tampoacuten y para conservar la adhesioacuten del depoacutesito de
niacutequel
A continuacioacuten se enlistan las teacutecnicas principales que se utilizan en los depoacutesitos de niacutequel
[22] Cabe mencionar que las concentraciones exactas y las condiciones de operacioacuten pueden
modificarse pero los valores que se dan pueden servir de guiacutea
22
1 Niacutequel a bantildeo friacuteo diluido
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 09 120 16
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Fluoruro de amonio NH4F 057 65 87
2 Bantildeo caliente Tipo Watts
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 04 45 6
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
pH para operacioacuten a un alto pH 45-55 a un bajo pH 15-30
Temperatura 43deg C (110 degF)
Densidad de corriente 2-7 ampdm2 (20-65 ampft2)
3 Bantildeo de alto sulfato
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 05 70 9
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Sulfato de sodio Na2SO4 10 160 22
Aacutecido boacuterico H3BO3 025 M 15 2
pH 55
Temperatura 20-30 degC (68-86 degF)
Densidad de corriente 15-30 ampdm2 (14-28 ampft2)
4 Bantildeo brillante de niacutequel-cobalto
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
23
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 038 45 6
Sulfato de cobalto CoSO4 7H2O 011 15 2
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
Sulfato de amonio (NH4)2SO4 004 25 03
Formato de niacutequel Ni(COOH)2 067 50 67
Formaldehiacutedo HCHO (40) 25 03
pH 45
Temperatura 55 degC (131 degF)
Densidad de corriente 3 ampdm2 (28 ampft2)
1522 Condiciones de operacioacuten
El caraacutecter del depoacutesito depende de varios factores incluyendo la temperatura la densidad de
corriente el pH la distancia entre los electrodos y la agitacioacuten los cuales se ajustan para producir
recubrimientos gruesos o delgados mates o brillantes suaves o duros duacutectiles o fraacutegiles [22] Cabe
mencionar que los valores oacuteptimos para cada factor variacutean de acuerdo con el tipo del bantildeo por lo
que no es posible dar cifras determinadas En su lugar se indicaraacuten los efectos sobre el caraacutecter de
los depoacutesitos obtenidos
pH La eleccioacuten de pH es regida por el tipo de bantildeo y las propiedades que se desean en el
depoacutesito En general en bantildeos de niacutequel opaco un aumento en el pH especialmente arriba de 50
produce depoacutesitos maacutes duros probablemente como resultado de mayor precipitacioacuten
Reciacuteprocamente los depoacutesitos de bajo pH seraacuten probablemente suaves
Temperatura La ventaja de aplicar altas temperaturas depende de varios factores
incluyendo (1) maacutes elevada solubilidad del niacutequel u otras sales (2) mayor conductividad (3)
reducida polarizacioacuten en ambos electrodos y (4) aumento de eficiencia en el aacutenodo y caacutetodo
Aunque de igual manera se pueden presentar ciertas desventajas (1) aumento de la tendencia a la
precipitacioacuten de impurezas (2) la propensioacuten a coagular agentes abrillantadores (3) vaporizacioacuten
excesiva (4) produccioacuten de depoacutesitos pasivos y (5) menor potencia de depoacutesito
Densidad de corriente La densidad de corriente es dependiente de los dos factores
anteriores A temperatura ambiente especialmente en bantildeos diluidos se emplean densidades de
24
corriente de 5 a 20 Aft2 (05 a 2 Adm2) En bantildeos maacutes fuertes y calientes se pueden usar
densidades de corriente hasta de 60 Aft2 (6 Adm2)
Agitacioacuten El efecto de la agitacioacuten equivale a un aumento en concentracioacuten de niacutequel y a
una disminucioacuten de pH lo que permite densidades de corriente maacutes altas Una desventaja de la
agitacioacuten raacutepida en los bantildeos de niacutequel es que con el movimiento suben a la superficie las partiacuteculas
suspendidas lo que trae consigo un depoacutesito aacutespero
Distancia entre electrodos La elaboracioacuten de recubrimientos con espesor uniforme
depende tambieacuten de la propia disposicioacuten y espacio adecuado de las piezas de trabajo aacutenodo y
caacutetodo Por lo que entre maacutes cercana esteacute la superficie a recubrir del aacutenodo mayor seraacute el espesor
del depoacutesito obtenido
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel
Las propiedades fiacutesicas del niacutequel electrodepositado son de especial intereacutes porque hay una gran
variedad de propiedades el control de las cuales de las cuales crea aplicaciones especiales del
niacutequel por ejemplo en electroformacioacuten Las siguientes propiedades son para depoacutesitos opacos de
niacutequel [22]
Dureza Esta variacutea en los diferentes depoacutesitos de niacutequel cerca de 130 a 430 HB En el bantildeo
tipo Watts se obtuvo un miacutenimo de dureza a un pH de 3 obtenieacutendose depoacutesitos maacutes duros abajo
y arriba de este liacutemite Los depoacutesitos maacutes duros se obtienen con un alto pH
Resistencia a la tensioacuten En general la resistencia a la tensioacuten es casi paralela a la dureza
y va de 56 000 a 160 000 lbplg2 (3 900 a 11 000 kgcm2)
Ductilidad La ductilidad medida por elongacioacuten es casi inversamente proporcional a la
dureza y a la resistencia a la tensioacuten
Resistividad eleacutectrica La resistividad eleacutectrica del niacutequel depositado es influenciada por el
contenido de inclusiones como el oacutexido y el cobalto Se presenta un poco en un pH 3
Composicioacuten Los depoacutesitos de niacutequel contienen oxiacutegeno e hidroacutegeno probablemente
presentes como compuestos baacutesicos del niacutequel como Ni(OH)2 El cloruro puede estar presente en
los depoacutesitos de todos los bantildeos de cloruro Estas inclusiones indudablemente tienen influencia en
la dureza y resistencia a la tensioacuten
25
1524 Niquelado en diferentes metales base
Debido a que el niacutequel es el maacutes extensamente aplicado a numerosos metales base solo algunos
ciclos empleados seraacuten considerados en esta seccioacuten [22]
Niquelado en acero El niacutequel puede ser depositado directamente sobre acero o sobre una
capa delgada o gruesa de cobre Debido a numerosas pruebas de corrosioacuten y a lo demostrado por
la experiencia se sabe que las capas de cobre ejercen menos proteccioacuten que una densidad igual de
niacutequel por lo tanto la tendencia actual es eliminar el cobre
Niquelado en hierro vaciado La dificultad de galvanizar sobre hierro vaciado estaacute
indudablemente asociada con la presencia de carbono liberado o grafito en el hierro Si eacuteste
permanece parcialmente embebido el niacutequel no se deposita tan faacutecilmente sobre el carboacuten o
carburos como en los cristales de hierro Por ello se utiliza una capa de cobre ya que mejora la
adhesioacuten del niacutequel al hierro vaciado La limpieza catoacutedica en caacuteustico fundido es algunas veces
efectiva y la saturacioacuten en aacutecido fluorhiacutedrico puede ayudar Por buena que sea la adhesioacuten del
niacutequel al hierro vaciado no es tan buena como en el acero
Niquelado en cobre y latoacuten La praacutectica maacutes comuacuten es aplicar el niacutequel directamente al
cobre o latoacuten seguido por la acostumbrada capa de cromo Ha sido demostrado concluyentemente
que las capas de cromo aplicadas directamente al latoacuten dan menos proteccioacuten contra la corrosioacuten
que cuando se aplica primero una capa de niacutequel
Niquelado en zinc y vaciados con base de zinc Se ha confirmado por muchas pruebas que
las capas adherentes de niacutequel pueden ser aplicadas directamente a troquelados de zinc usando un
alto-sulfato en bantildeo de niacutequel El principio de este bantildeo es la adicioacuten de suficiente sulfato de sodio
para reducir la actividad del ion niacutequel y aumentar la polarizacioacuten del caacutetodo De este modo se
evita que el zinc pase a la solucioacuten precipitando niacutequel oscuro Este bantildeo de alto sulfato de niacutequel
tiene una excelente conductividad y potencia de depoacutesito
Niquelado en magnesio El galvanizado de niacutequel u otros metales en magnesio o sus
aleaciones se hace difiacutecilmente por la alta actividad del magnesio y su consecuente tendencia a
depositar niacutequel u otros metales pesados por inmersioacuten Debido a la gran diferencia de potenciales
de solucioacuten del magnesio y de metales como el cobre niacutequel o cromo eacutestos pueden galvanizarse
sobre el magnesio cuya corrosioacuten se acelera raacutepidamente si hay algunos poros o discontinuidad en
26
los recubrimientos Mientas no se pueda demostrar que pueden producirse y mantenerse
recubrimientos electroliacuteticos casi impenetrables en el magnesio y sus aleaciones es de dudarse que
estos galvanizados puedan tener una aplicacioacuten industrial
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de materiales consiste en la obtencioacuten de informacioacuten acerca de un material
bajo estudio (composicioacuten estructura morfologiacutea y otras propiedades) a partir de la interaccioacuten de
una sentildeal (eleacutectrica luminosa teacutermica etc) con una porcioacuten de dicho material Por tanto toda
caracterizacioacuten de un material supone una agresioacuten es decir una perturbacioacuten del mismo El
estudio de la respuesta del material a dicha perturbacioacuten tiene la finalidad de dar a conocer las
propiedades del mismo para asiacute predecir si seraacute uacutetil o no en una determinada aplicacioacuten
Se puede asegurar que la ayuda de las nuevas teacutecnicas de caracterizacioacuten y anaacutelisis ha sido
indispensable en el disentildeo siacutentesis y procesado de estos materiales permitiendo un cuidadoso
control de sus propiedades e incluso en muchos casos con la posibilidad de fijar de antemano
alguna de sus caracteriacutesticas
161 Dureza
La dureza es una propiedad de los materiales soacutelidos y se define como la resistencia que oponen
estos materiales a ser deformados Una buena dureza significa generalmente que el material es
resistente al rayado y al desgaste [23]
1611 Ensayo de dureza Vickers
Este ensayo usa un indentador en forma de piraacutemide hecho de diamante Figura 112 (a) El ensayo
se basa en el principio de que las impresiones hechas por este indentador tienen geometriacuteas
similares independientemente de la carga aplicada En consecuencia se aplican varias cargas
dependiendo de la dureza del material a ensayar [24] la dureza Vickers se determina entonces con
la foacutermula
HV = 1854 119865
1198632
Donde F es la fuerza aplicada en kgf y D es la diagonal de la impresioacuten hecha por el
indentador en mm El ensayo Vickers puede usarse para todos los metales porque cuenta con una
de las escalas maacutes amplias entre los ensayos de dureza
Ec 16
27
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante un ensayo de dureza
162 Rugosidad
El acabado superficial de los cuerpos puede presentar errores de forma macro y micro geomeacutetricos
auacuten las superficies consideradas como ldquomuy lisasrdquo muestran cuando son analizadas a escala
sumamente fina una compleja diversidad de particularidades geomeacutetricas [25] Por lo tanto la
rugosidad es el conjunto de irregularidades en una superficie real
1621 El perfiloacutemetro
El rugosiacutemetro o perfiloacutemetro es por mucho el equipo maacutes utilizado en la industria para medir la
rugosidad de componentes comunes El principio de operacioacuten de este equipo es simple una fina
punta en contacto con la superficie a analizar realiza un barrido controlado en liacutenea recta y las
variaciones de alturas se convierten en sentildeales eleacutectricas que son debidamente registradas
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro
28
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB)
En el microscopio electroacutenico de barrido se construyen imaacutegenes aprovechando la emisioacuten de
electrones (electrones secundarios) de una muestra cuando sobre ella incide un haz enfocado de
electrones de alta energiacutea La muestra tambieacuten emite rayos X los cuales pueden ser analizados para
obtener informacioacuten sobre la composicioacuten del material [26] Cada sentildeal del MEB es captada con
un detector apropiado
Los electrones emitidos por la interaccioacuten del haz incidente y la muestra son colectados por
los correspondientes detectores para producir una sentildeal eleacutectrica la cual se utiliza para modular la
intensidad de un haz de electrones que incide en la pantalla de un tubo de rayos catoacutedicos (TRC)
de manera que mediante un barrido sincronizado del haz incidente en la superficie de una muestra
y del haz incidente en la pantalla del TRC se produce la imagen de la muestra [26]
La emisioacuten de electrones y de rayos X de la muestra se origina por las colisiones de
electrones del haz incidente con electrones de los aacutetomos del material de la probeta tal como se
puede observar en la Figura 114
Algunas colisiones son elaacutesticas de modo que algunos electrones del haz primario pueden
salir de la superficie de la muestra sin una significativa peacuterdida de energiacutea estos son los llamados
electrones reflejados Pero la mayoriacutea de las colisiones son inelaacutesticas y entre otros efectos
originan emisioacuten de electrones de baja energiacutea conocidos como electrones secundarios
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y fotones por la
interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
29
1631 Componentes baacutesicos del MEB
Cantildeoacuten de electrones que produce un haz con energiacutea entre 5 keV y 30 keV con un diaacutemetro
efectivo entre 01 microm y 10 microm
Lentes electromagneacuteticas condensadoras que reducen el diaacutemetro del haz de manera que en
la superficie de la muestra se tiene un diaacutemetro apropiado al aumento de la imagen
Apertura final la cual controla la divergencia del haz incidente en la muestra
Una lente objetivo que enfoca el haz en la superficie de la muestra
Sistema de barrido el cual permite la construccioacuten de la imagen en la pantalla del TRC por
el barrido del haz en la superficie de la muestra
Detectores de sentildeales emitidas por la muestra (Electrones secundarios electrones
reflejados rayos X etc)
Tubo de rayos catoacutedicos para presentacioacuten de la imagen
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica es una teacutecnica relativamente nueva que permite obtener
imaacutegenes de superficies a escala molecular [27] El microscopio consta esencialmente de una punta
de Si3N4 montada sobre un fleje Con esta punta se realiza un barrido sobre la superficie de la
muestra la cual se situacutea sobre un escaacutener piezoeleacutectrico El funcionamiento del microscopio se
basa en el control por un ordenador de la fuerza ejercida por la punta durante el barrido (Ver Figura
30
116) En el modo denominado de contacto la fuerza punta-muestra se mantiene constante
mediante un sistema de retroalimentacioacuten basado en los siguientes puntos
1) La variacioacuten de la fuerza punta-muestra se traduce en movimientos verticales y horizontales
del fleje que hacen variar la direccioacuten de un rayo laacuteser incidente sobre eacutel Estos cambios en
la direccioacuten del laacuteser son recogidos por un fotodetector y analizados por un ordenador
2) Los aumentos o disminuciones de fuerza son compensados por el ordenador que enviacutea una
sentildeal al piezoeleacutectrico para que acerque o aleje la muestra a la punta
3) Tanto las variaciones del haz luminoso como los movimientos controlados del
piezoeleacutectrico son convertidos por el ordenador en un mapa topograacutefico de la superficie
Figura 116 Funcionamiento de un MFA
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX)
El meacutetodo de difraccioacuten por rayos X es una herramienta poderosa para investigar la disposicioacuten
ordenada de los aacutetomos o moleacuteculas por medio de la interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica
para producir efectos de interferencia con estructuras comparables en tamantildeo a la longitud de onda
de la radiacioacuten
31
Al igual que con los tipos de radiacioacuten electromagneacutetica la interaccioacuten entre el vector
eleacutectrico de la radiacioacuten X y los electrones de la materia que atraviesa da lugar a una dispersioacuten
Cuando los rayos X son dispersados por el entorno ordenado de un cristal tienen lugar
interferencias (constructivas y destructivas) entre los rayos dispersados ya que las distancias entre
los centros de dispersioacuten son del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la radiacioacuten
La teacutecnica de difraccioacuten de rayos X aplicada al estudio de materiales permite obtener
informacioacuten importante sobre distintos aspectos de los mismos Para recubrimientos [28] eacutesta
teacutecnica es imprescindible para determinar
Tipo de estructura (FCC HCP etc)
Esfuerzos residuales
Microdeformaciones
Tamantildeo de grano
Fases presentes
Proporcioacuten relativa de las fases
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X
El fenoacutemeno de difraccioacuten es la interferencia entre las ondas que se genera cuando hay un objeto
en su trayecto Para comprender mejor esto supoacutengase dos planos reticulares 1 y 2 tal como en la
Figura 117 de un cristal con una distancia d entre ambos converge un haz de rayos X procedente
de A con un aacutengulo de incidencia θ este haz en parte se refleja sobre el primer plano hacia F y
en parte atraviesa y se refleja sobre el plano 2 hacia F3 y asiacute sucesivamente sobre los otros planos
[29]
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X
32
En el punto D se sobrepone un rayo reflejado por el primer plano reticular y el otro del
segundo cuya diferencia de camino despueacutes de la reflexioacuten es CD-ED Si tal diferencia es un
muacuteltiplo entero n de la longitud de onda λ de la radiacioacuten X los dos rayos en D estaraacuten en
concordancia de fase y sobreponieacutendose aumentaraacute su intensidad
Por el contrario si estaacuten en discordancia tenderaacuten a anularse Para que se verifique esta
condicioacuten es necesario que las magnitudes λ d θ y n satisfagan la relacioacuten de la Ley de Bragg
nλ = 2 d sen θ
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP)
La teacutecnica electroquiacutemica llamada Resistencia a la Polarizacioacuten es el resultado de la aproximacioacuten
de bajo campo a la ecuacioacuten de Butler-Volmer y por este motivo se debe aplicar solamente cuando
exista control activacional o por transferencia de carga
Los materiales que son susceptibles de ser evaluados mediante la aplicacioacuten de la RP deben
estar inmersos en electrolitos conductores es decir que la resistividad de las soluciones no sea alta
y deben encontrarse libres de peliacuteculas resistivas
1661 Procedimiento experimental
Para realizar un estudio experimental de Resistencia a la Polarizacioacuten lo mejor es acudir a la norma
ASTM G 59-91 [32] En general los pasos a seguir de acuerdo a la norma son los siguientes
Usar un puente salino que acerque el electrodo de referencia a 2 o 3 mm de la superficie
del electrodo de trabajo
Registrar el potencial de corrosioacuten despueacutes de 5 minutos
Aplicar un potencial 30 mV maacutes negativo que el potencial registrado
Un minuto despueacutes de que se aplique el potencial se inicia un barrido con direccioacuten anoacutedica
a 06 Vh (10 mVmin) registrando el potencial y la corriente continuamente
Terminar el barrido cuando se alcanza un valor de 30 mV positivo que el potencial de
corrosioacuten
Graficar la curva de polarizacioacuten
Determinar graacuteficamente la resistencia a la polarizacioacuten como la tangente a la curva en el
origen de la graacutefica
Ec 17
33
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE)
La teacutecnica de Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica es un meacutetodo electroquiacutemico
utilizado en estudios de corrosioacuten el cual se basa en el uso de una sentildeal de corriente alterna (CA)
que es aplicada a un electrodo (metal en corrosioacuten) y determinando la respuesta correspondiente
En el procedimiento experimental comuacutenmente utilizado se aplica una sentildeal sinusoidal de
voltaje y se mide su respuesta en corriente a diferentes frecuencias aunque es posible aplicar una
pequentildea cantidad de corriente y medir la respuesta del potencial El voltaje la corriente y la
frecuencia son relacionadas por la impedancia en una forma anaacuteloga a la ley de Ohm
V = IZ
Donde Z es la impedancia del circuito A diferencia de la resistencia la impedancia de un
circuito puede depender de la frecuencia aplicada
Cuando se aplica una sentildeal de CA incluso en un sistema de corrosioacuten sencillo se comporta
de manera maacutes complicada que una sola resistencia Pues existe tambieacuten una capacitancia la de la
doble capa electroquiacutemica (Cdl) que es debida a la carga de las especies existentes en la interfase
metal-electrolito y que se encuentra presente en todos los sistemas corrosivos Ademaacutes estaacute la
resistencia de la solucioacuten (Rs) para que se le permita La combinacioacuten de estos tres componentes
proporciona un circuito equivalente simple para un metal que se corroe Dicho circuito es una
combinacioacuten de elementos eleacutectricos tales como resistores y capacitores lo que da la misma
respuesta a sentildeales eleacutectricas como el metal real que se corroe [30] El circuito simple descrito
anteriormente se muestra en la Figura 118
Figura 118 Circuito equivalente simple
Los espectros de impedancia se pueden utilizar para identificar y cuantificar las
capacitancias en el sistema y para separar diferentes resistencias por ejemplo la resistencia de la
solucioacuten y la resistencia a la polarizacioacuten A altas frecuencias la resistencia de la solucioacuten se puede
cuantificar A frecuencias maacutes bajas los diferentes tipos de procesos se producen en diferentes
Ec 18
34
escalas de tiempo (en diferentes frecuencias) y puede ser posible identificar los procesos de
difusioacuten o los fenoacutemenos de adsorcioacuten y desorcioacuten [3031]
1671 Representaciones graacuteficas
Solamente existen dos maneras de representar los valores experimentales de la espectroscopia de
impedancia electroquiacutemica
1 Diagramas de Nyquist Tipo de representacioacuten maacutes comuacuten que consiste en graficar los
valores de la impedancia real frente a los de la impedancia imaginaria Estos diagramas
permiten identificar la resistencia del electrolito la resistencia a la transferencia de carga y
la resistencia a la polarizacioacuten [3031] en la mayor parte de los casos La Figura 119
muestra un ejemplo de este tipo de diagramas
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist
2 Diagramas de Bode En este tipo de representaciones se pueden obtener dos diagramas el
moacutedulo de la impedancia y el aacutengulo de fase (Figura 120) Tambieacuten en funcioacuten de la parte
real o la imaginaria pero en escala logariacutetmica Ambos graacuteficos son particularmente uacutetiles
cuando existen constantes de tiempo con valores muy proacuteximos que no se pueden distinguir
en los diagramas de Nyquist
35
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b) Moacutedulo de
impedancia
1672 Ecuacioacuten de Brug
Como bien se sabe el objetivo de los experimentos de EIS es a menudo extraer la capacitancia de
las peliacuteculas (posiblemente como una funcioacuten del potencial aplicado) y por lo tanto para obtener
informacioacuten sobre las propiedades dieleacutectricassemi-conductoras de dichas peliacuteculas Sin embargo
en diversos sistemas la estimacioacuten de la capacitancia es difiacutecil debido a que un comportamiento
de elemento de fase constante (CPE) se observa en lugar de un comportamiento capacitivo
Brug [33] propuso una foacutermula (Ec 19) que relaciona la resistencia del electrolito (Re) y
la resistencia a la transferencia de carga (Rtc) donde es posible calcular la capacitancia contenida
en el CPE
119862 = 1198761
120572[119877119890minus1 + 119877119905119888minus1]1minus120572
120572
Donde C es la capacitancia Q es el factor de Brug Re es la resistencia del electrolito Rtc
es la resistencia a la transferencia de carga y α es la pendiente de la impedancia calculada a bajas
frecuencias
Ec 19
36
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental
21 Preparacioacuten superficial de muestras
A partir de una laacutemina de acero 1018 de 150 x 1 m se cortaron 48 placas de 10 x 2 cm cada una
con una cizalla ya que se necesitaba que cada muestra fuera perfectamente paralela para el proceso
de electrodeposicioacuten
Las placas de acero presentaban una capa de oacutexido por lo que se siguioacute la norma ASTM
G1 [34] para decapar cada muestra durante 10 minutos en HCl al 50 (Ver figura 21) para
posteriormente lavarse con agua potable y asiacute pasar al lijado con granulometriacutea 180 240 320 400
y 600 Seguido de un lavado con agua destilada para eliminar residuos de material removido y
finalizando con un bantildeo de acetona para retirar cualquier resto de humedad y grasa
Figura 21 Decapado de muestras
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos
Para los electrodepoacutesitos con influencia de un campo magneacutetico se utilizaron dos imanes de
neodimio sin embargo no teniacutean sentildealizacioacuten alguna para diferenciar sus polos ni se conociacutea el
valor del campo Entonces se utilizoacute una bruacutejula para determinar el norte y sur de cada imaacuten asiacute
como se aprecia en la Figura 22
37
Figura 22 Determinacioacuten de los polos
Y el campo magneacutetico se midioacute con un gausiacutemetro Marca RFL modelo 91 (Figura 23)
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico
23 Preparacioacuten del electrolito
Para el proceso de electrodeposicioacuten se empleoacute un bantildeo Watts estaacutendar [35] cuya composicioacuten se
presenta en la Tabla 21
38
Para la deposicioacuten electroliacutetica sin campo se preparoacute un litro de solucioacuten y para la que teniacutea
influencia de campo magneacutetico se hicieron dos litros
24 Obtencioacuten de recubrimientos
Para las electrodeposiciones se utilizoacute una fuente de poder marca Good Will Instrumets modelo
GPR-3510HD En cuya terminal negativa se conectoacute el caacutetodo (acero 1018) y en la positiva el
aacutenodo (niacutequel soacutelido Figura 24) Ambos electrodos se colocaron paralelamente cara con cara
Figura 24 Rondelas de niacutequel
Los electrodepoacutesitos de niacutequel sobre acero 1018 con y sin influencia de campo magneacutetico
se llevaron a cabo a voltaje constante siendo eacuteste de 4 V midiendo la corriente resultante al
finalizar el proceso las muestras se lavaron con agua destilada y se dejaron secar al ambiente Se
realizaron seis condiciones diferentes tal como lo muestra la Tabla 22
En el caso de los electrodepoacutesitos en presencia de campo magneacutetico se utilizaron dos
imanes de Neodimio (Valor fluctuante de 15 a 34 T) los cuales se instalaron en la cuba
electroliacutetica el polo norte cerca del aacutenodo y el polo sur del caacutetodo tal como lo muestra la Figura
25
39
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con imanes de
neodimio
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos
Las muestras electrodepositadas con y sin presencia de campo magneacutetico se fijaron a una celda
de acriacutelico con un aacuterea de exposicioacuten de 133 cm2 en dicha celda se vertioacute una solucioacuten de NaCl
al 3 en peso se colocoacute una tapa y se introdujeron un electrodo de referencia de AgAgCl y un
contra-electrodo de grafito Dicha celda se conectoacute a un potenciostato marca Bio-logic modelo
SP-150 controlado mediante una computadora de escritorio con su respectivo software El
dispositivo utilizado para las pruebas se puede ver en la Figura 26a
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el electrodo de
referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo (ET)
40
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
Se utilizoacute la teacutecnica de RP en modo potenciodinaacutemico en un intervalo de plusmn 20 mVEcorr a una
velocidad de barrido de 01667 mVs haciendo la respectiva curva de polarizacioacuten mediante la
computadora Previo a esto el electrodo de trabajo se dejoacute estabilizar en el electrolito (NaCl al 3
peso) durante 30 minutos
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica
Al teacutermino de la medicioacuten de la RP el electrodo de trabajo se dejoacute a circuito abierto durante 15
minutos Posteriormente se utilizoacute la teacutecnica EIE en un intervalo de frecuencias de 50 kHz a 50
mHz a 7 puntos por deacutecada y 10 mV de perturbacioacuten
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos
Para la caracterizacioacuten superficial las placas se cortaron en una maacutequina dobladora a una medida
de 2 x 2 cm para asiacute poder ingresar a ciertos equipos Se eligioacute una muestra de cada condicioacuten
tanto con y sin influencia de campo magneacutetico
261 Dureza
Los estudios de dureza fueron obtenidos con un microduroacutemetro de Vickers marca
Mitutoyo Colocando las placas en el portamuestras del microscopio se hizo incidir el indentador
de diamante aplicando una carga de 10 kgf durante 20 s para un acero suave [36] Este
procedimiento se realizoacute 5 veces por muestra para obtener un promedio de dureza
262 Rugosidad
Se utilizoacute un rugosiacutemetro marca Mitutoyo modelo Surftest-402 Las muestras se colocaron
en una superficie plana y sobre ella se situoacute el palpador con punta coacutenica tal como lo muestra la
Figura 27 posteriormente se calibroacute dicha punta y entonces el equipo realizoacute un pequentildeo recorrido
sobre la superficie con el que determinoacute la rugosidad de cada muestra en microm
41
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido
Para esta caracterizacioacuten de las placas se utilizoacute el Microscopio Electroacutenico de Barrido de
alto-bajo vaciacuteo Jeol JSM 6610LV con un voltaje de 20 kV y una distancia de trabajo de 10 mm
Las placas se colocaron en un portamuestras (Figura 28) y se analizaron a alto vaciacuteo Las imaacutegenes
se formaron con una sentildeal de electrones secundarios a 500 1000 y 5000X
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
Se utilizoacute un Microscopio de Fuerza Atoacutemica marca Asylum Research modelo Cypher que cuenta
con una punta de silicio que tiene una constante de 2 Nm (conforme se va desgastando va
disminuyendo su valor)
Para las muestras sin influencia de campo magneacutetico se utilizoacute el modo contacto es decir
la fuerza entre la punta y la muestra son constantes En el caso de las muestras con influencia de
campo magneacutetico que mostraron una superficie menos rugosa y maacutes faacutecil de medir
topograacuteficamente se usoacute el modo no contacto por lo que la punta no tocaba la muestra sino que
42
oscilaba a una distancia de entre 1 y 10 nm Todas las imaacutegenes se obtuvieron en un aacuterea de 10 x
10 microm a una velocidad de barrido de 10 Hz escaneando 512 liacuteneas generadas por 512 puntos en
zonas especiacuteficas
265 Difraccioacuten de rayos X
Para esta caracterizacioacuten se utilizoacute un difractoacutemetro de rayos X marca Siemens modelo D5000
Las condiciones de operacioacuten fueron las siguientes velocidad de barrido de 05 s incrementos de
0035cps 35 kV y 25 mA El intervalo de aacutengulo seleccionado fue 2θ = 30 a 120deg que es el
rango donde aparecen la mayoriacutea de los picos caracteriacutesticos del niacutequel [37]
43
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten
Para una mejor comprensioacuten de los resultados eacutestos se presentan de manera comparativa en
funcioacuten del tiempo de electrodeposicioacuten con y sin campo magneacutetico analizando dichos
recubrimientos con las teacutecnicas electroquiacutemicas planteadas en el capiacutetulo de metodologiacutea
experimental tambieacuten se realizaron anaacutelisis del comportamiento de las propiedades fiacutesicas tales
como dureza rugosidad y espesor para determinar la influencia del campo magneacutetico durante la
electrodeposicioacuten de niacutequel
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos
La Figura 31b muestra las reacciones que se llevaron a cabo en el proceso de electrodeposicioacuten
Como ya se sabe en el aacutenodo se lleva a cabo la oxidacioacuten del niacutequel y en el caacutetodo la reduccioacuten
del mismo Sin embargo en el caacutetodo tambieacuten se lleva a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten del
hidroacutegeno ya que el medio usado para la electrodeposicioacuten es aacutecido (pH = 3) por ello la eficiencia
en el caacutetodo no es del 100
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni
311 Caacutelculo de masa depositada
Para conocer la masa de Ni depositada en el acero 1018 se realizaron mediciones de peso antes y
despueacutes de que las placas fueran sometidas al proceso de electrodeposicioacuten Sin embargo como el
aacuterea de electrodepoacutesito no es la misma en todas las placas se compara la masa depositada por
centiacutemetro cuadrado tal como lo muestra la Tabla 31
44
En la tabla 31 se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten de
niacutequel la masa por unidad de aacuterea aumenta Esto se cumple para ambas temperaturas (30degC y 60degC)
y ambas condiciones (sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico) sin embargo se demostraraacute
maacutes adelante que el aumento de masa no es garantiacutea de una reduccioacuten de la velocidad de corrosioacuten
(Grafico 31) Es importante sentildealar que tanto a 30degC como a 60degC la masa de niacutequel disminuye
cuando se utiliza el campo mageacutentico sin embargo a 30degC esto no se cumple debido a que hay un
aumento de masa
312 Eficiencia en corriente
Es importante mencionar que en todos los electrodepoacutesitos la corriente final era menor que la
inicial Dicha caiacuteda de corriente se debioacute a la formacioacuten de una capa de oacutexido en el aacutenodo Figura
32 lo que ocasionoacute una disminucioacuten en la entrega de cationes (Ni2+) a la solucioacuten
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido
La eficiencia en corriente se evaluoacute con la foacutermula del Anexo 1-A y se tomoacute el valor de la
corriente inicial para dicho caacutelculo Los resultados se muestran en la Tabla 32 Mientras que
Ferreira y Colnago [12] reportaron obtener eficiencias del doble para sus peliacuteculas de cobre en
45
este caso se puede notar que la presencia del campo magneacutetico provoca una disminucioacuten en el
rendimiento del sistema
La fuente de poder se debe regular para poder otorgar los 4 V que el proceso de
electrodeposicioacuten requiere y desde el momento en que se enciende el aparato empieza a mandar
corriente Por ello ciertas eficiencias sobrepasan el 100 pues el tiempo de ajuste se excedioacute maacutes
de 50 segundos
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
En la Figura 33 se observan los resultados de la resistencia a la polarizacioacuten en funcioacuten de la
temperatura y del tiempo de exposicioacuten A 60degC se observa que el campo magneacutetico provoca una
disminucioacuten de la resistencia a la polarizacioacuten para los diferentes tiempos de electrodepoacutesito
realizados lo cual se traduce en un aumento de la velocidad de corrosioacuten de acuerdo con la
ecuacioacuten de Stern y Geary (Ec 14) Este efecto de disminucioacuten de la Rp tambieacuten se observa en
los datos a 30degC con excepcioacuten del tiempo 7 minutos
46
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal
En la Tabla 33 se presentan las variaciones de icorr y Vcorr sin campo magneacutetico y en
presencia de campo magneacutetico a 30deg y 60deg en funcioacuten del tiempo de electrodepoacutesito
En la Graacutefica 31 se puede observar que a 60degC con mayor tiempo de electrodeposicioacuten de
Ni disminuye la Vcorr Sin embargo se puede notar que con la presencia del campo las velocidades
de corrosioacuten son mayores pero respetando la tendencia antes mencionada
60degC17min CM
60degC17min SC
60degC12min CM
60degC12min SC
60degC7min CM
60degC7min SC
30degC17min CM
30degC17min SC
30degC12min CM
30degC12min SC
30degC7min CM
30degC7min SC
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Rp (Ohm cm2)
47
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de electrodeposicioacuten
La tabla 34 muestra los valores de Ecorr para ambas temperaturas (30degC y 60degC) y en las
dos condiciones ensayadas (sin campo y con campo) Sin campo magneacutetico y con excepcioacuten de
30degC y 17 min se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten el Ecorr se
desplaza hacia valores menos negativos al mismo tiempo que la Vcorr disminuye (Tabla 33) De
acuerdo con la Teoriacutea de Potencial Mixto explicada por Evans el sistema se encuentra bajo un
control tipo anoacutedico es decir que la reaccioacuten de oxidacioacuten de niacutequel se desplaza para dar un Ecorr
menos negativo al mismo tiempo que reduce la Vcorr
1198731198942+ + 2119890minus harr 119873119894deg
Sin embargo a 30degC y 17 min el sistema se encuentra bajo control catoacutedico debido a que
persiste la disminucioacuten de Vcorr ahora con un cambio en el potencial hacia valores maacutes negativos
Al comparar los valores de Ecorr sin campo magneacutetico con los de campo magneacutetico se observa que
para la temperatura 60degC los valores de Ecorr se desplazan hacia valores maacutes electronegativos
Como se discutioacute anteriormente esto se debe a un control cineacutetico tipo anoacutedico Cuando se
considera la temperatura de 30degC se observa un desplazamiento hacia valores menos negativos es
7min 12min 17min
000
002
004
006
008
010
Vco
rr (
mm
an
o)
Tiempo de electrodeposicion
60degC Sin campo
60degC Con campo
30degC Sin campo
30degC Con campo
48
decir la cineacutetica estaacute controlada por la reaccioacuten catoacutedica Diversos trabajos reportan este mismo
efecto en donde el campo magneacutetico tiene un efecto sobre la reaccioacuten de reduccioacuten de oxiacutegeno
1198742 + 21198672119874 + 4119890minus harr 4119874119867minus
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica
Como se mencionoacute previamente en el apartado 167 referente a la teacutecnica de impedancia
mediante esta teacutecnica es posible evidenciar y cuantificar el efecto que tiene la capacitancia de una
interface electroquiacutemica y asiacute proporcionar informacioacuten complementaria al estudio de corrosioacuten
Las graacuteficas 32 33 y 34 correspondientes a los diagramas de Nyquist obtenidos en los
tres diferentes tiempos de electrodeposicioacuten a 60degC con y sin influencia de campo magneacutetico
Revelan en los tres casos que el campo magneacutetico disminuye la resistencia a la transferencia de
carga (Rtc) es decir el proceso de corrosioacuten se ve favorecido tal como se pudo mostrar en los
resultados de resistencia a la polarizacioacuten De igual manera se observa una disminucioacuten en la
resistencia del electrolito (Rs) esto debido a la fuerza convectiva (visible) que ejerce el campo
magneacutetico en el electrolito el cual provoca una mejor difusioacuten de los iones dicha informacioacuten es
consistente a lo reportado por Calivar e Ispas [67]
49
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
500
1000
1500
2000 50 mHz
60degC 7min SC
60degC 7min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
1000
2000
3000
50 mHz
60degC 12min SC
60degC 12min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
50 kHz
50 mHz
Re(Z) (Ohm cm2)
50
Graacutefica 34 EIE de 60degC 17min
34 Dureza Rugosidad y Espesor
La Tabla 35 muestra que la aplicacioacuten de un campo magneacutetico durante el proceso de
electrodeposicioacuten de niacutequel provoca que la dureza disminuya lo que significa que el recubrimiento
es menos susceptible a fracturarse este resultado es similar a lo reportado por Zielinski [11] y la
disminucioacuten de fracturas en sus peliacuteculas de Co-W ante la presencia de un campo magneacutetico
Tambieacuten es importante sentildealar que la rugosidad de cada niquelado presentoacute un
empobrecimiento lo que significa que el campo magneacutetico ayuda a obtener recubrimientos maacutes
uniformes
0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000
0
3000
6000
9000
12000
15000
18000 50 mHz
60degC 17min SC
60degC 17min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
51
Los espesores fueron calculados mediante la foacutermula que aparece en el Anexo 1-B y se
puede notar que eacuteste decrece ante la presencia del campo magneacutetico Esto se puede constatar de
igual forma a partir de los datos de impedancia los cuales permitieron calcular los valores de
capacitancia a partir de la ecuacioacuten de Brug (Ec 19) cuyos resultados se muestran en la Tabla
36
Como se puede observar los valores de capacitancia con el campo magneacutetico son mayores
en un orden de magnitud que aquellos donde no existe el campo permitiendo confirmar que el
espesor maacutes delgado se encuentra con la influencia del campo
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
A continuacioacuten se muestran las imaacutegenes topograacuteficas obtenidas en el MFA Con lo cual se puede
corroborar que ocurre una disminucioacuten en la rugosidad de las peliacuteculas de niacutequel con presencia de
campo magneacutetico
52
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC-7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC-12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC-17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
36 Difraccioacuten de Rayos X
Los patrones de difraccioacuten de los recubrimientos de Ni en acero 1018 Figura 37 se caracterizan
por la presencia de los planos de la estructura cuacutebica centrada en las caras de acuerdo al PDF 03-
065-4899 [32] Esta fase cristalina estuvo presente en todos los recubrimientos
De acuerdo con lo reportado por Hu [33] la energiacutea de activacioacuten para la evolucioacuten de
hidroacutegeno es mayor en el plano (111) que en el plano (200) del Ni Dicho de otra manera en el
53
plano (200) habraacute maacutes produccioacuten de hidroacutegeno gaseoso durante el proceso de electrodeposicioacuten
de niacutequel lo que trae consigo posiblemente recubrimientos porosos
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia de campo
magneacutetico
Para los depoacutesitos en presencia de campo magneacutetico a 7 y 12min se observa una orientacioacuten
preferencial en el plano (200) sin embargo el pico a 7min es mucho mayor que el de 12
comparando estos resultados con las pruebas electroquiacutemicas y de acuerdo a los reportado por Hu
[33] esto nos lleva a suponer que en este caso el recubrimiento es maacutes poroso y delgado de acuerdo
a las medidas de espesor (Tabla 35) Para el caso de 17min con campo magneacutetico se tiene una
orientacioacuten preferencial en el plano (111) esta muestra tiene un mejor comportamiento
electroquiacutemico de acuerdo a la Figura 33 ademaacutes de acuerdo a lo reportado por Hu [33] nos lleva
a deducir que este recubrimiento es el menos poroso de los tres con campo magneacutetico Lo anterior
explica por queacute la velocidad de corrosioacuten es mayor a 7min y va disminuyendo conforme aumenta
el tiempo de electrodeposicioacuten Y tambieacuten revela la causa por la que el potencial de corrosioacuten es
maacutes negativo en presencia del campo magneacutetico La porosidad tambieacuten nos explica la razoacuten por la
cual la dureza de los recubrimientos hechos en presencia del campo magneacutetico disminuye con
respecto a aquellos realizados en ausencia del mismo
40 45 50 55 600
4000
8000
12000
16000
20000
17min SC
17min CM
12 min CM
12 min SC
7min CM
Inte
nsid
ad
(U
A)
2 (grados)
60degC-7min SC
60degC-12min SC
60degC-17min SC
60degC-7min CM
60degC-12min CM
60degC-17min CM
Ni
7min SC
(111) (200)
54
La existencia de los poros en el recubrimiento propicia un par galvaacutenico Figura 38 entre
el niquelado electroliacutetico y el acero 1018 ya que este uacuteltimo es maacutes electronegativo por
consiguiente maacutes propenso a la corrosioacuten Tambieacuten estaacute el efecto de las diferencias de aacutereas entre
aacutenodo (acero) y caacutetodo (niquelado) siendo en este caso el caacutetodo quien posee mayor aacuterea de
exposicioacuten al ambiente es el aacutenodo quien se corroeraacute maacutes faacutecil y raacutepidamente
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni
37 Microscopia Electroacutenica de Barrido
Las Figuras 39 310 y 311 muestran las imaacutegenes obtenidas en el MEB de los recubrimientos de
Ni a 60degC 7min 12min y 17min respectivamente Se aprecia una morfologiacutea maacutes uniforme con la
presencia de campo magneacutetico y las aglomeraciones de partiacuteculas metaacutelicas son mucho maacutes
grandes que sus homoacutelogos sin influencia del campo
55
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y sin influencia
de campo magneacutetico
56
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min con y sin
influencia de campo magneacutetico
57
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min con y sin
influencia de campo magneacutetico
58
Conclusiones
A partir de los resultados experimentales obtenidos en el presente trabajo se puede concluir lo
siguiente
La eficiencia de electrodepositacioacuten es funcioacuten de la pureza del aacutenodo y de la corriente
aprovechada por la reaccioacuten de reduccioacuten de hidroacutegeno
El aumento en el tiempo de electrodepositacioacuten conduce a un aumento en la masa de niacutequel
electrodepositada esto es vaacutelido para la condicioacuten sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico
sin embargo esto no garantiza la disminucioacuten de Vcorr
Sin campo magneacutetico los resultados obtenidos a 30degC y 60degC muestran que la Vcorr
disminuye conforme el tiempo de electrodepoacutesito de niacutequel aumenta Tambieacuten en ausencia del
campo las Vcorr obtenidas a 30degC son menores comparadas con las Vcorr a 60degC a excepcioacuten de
17 min
Sin campo magneacutetico se observa que la degradacioacuten del niquelado estaacute controlada por una
cineacutetica anoacutedica lo cual es vaacutelido para 30degC y para 60degC con excepcioacuten de 30degC y 17 min donde
la cineacutetica que controla es catoacutedica Asimismo a 30degC con campo magneacutetico se observa que la
cineacutetica que controla el sistema es la catoacutedica lo cual sugiere que la reaccioacuten de reduccioacuten de
oxiacutegeno ser manipulada por el campo magneacutetico
En presencia del campo magneacutetico se encontroacute que la resistencia de la solucioacuten disminuyoacute
tanto a 30degC como a 60degC debido a una fuerza adicional convectiva que provoca el campo
magneacutetico
La Vcorr es dependiente de la cantidad de masa depositada pero tambieacuten del ordenamiento
cristalino que los aacutetomos de niacutequel adquieren al momento del electrodepoacutesito
En presencia del campo magneacutetico las micrografiacuteas MEB revelan superficies con menos
rugosidad respecto a las muestras sin campo magneacutetico
A 60degC hay poca o nula contribucioacuten del campo magneacutetico mientras que a 30degC si hay una
contribucioacuten del campo pero es negativa respecto a la Vcorr
59
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62
Anexo 1 Caacutelculos
1-A Caacutelculo de eficiencia
En la praacutectica la corriente suministrada a un sistema no es aprovechada al 100 pues hay
peacuterdidas de corriente por diversos motivos entre otros
a) Desviacioacuten de corriente por caminos secundarios
b) Impurezas de las soluciones (las cuales dan reacciones secundarias)
c) Resistencia eleacutectrica propia del bantildeo electroliacutetico
d) Peacuterdidas por transformacioacuten de energiacutea eleacutectrica a energiacutea caloriacutefica
e) Fenoacutemenos de polarizacioacuten
Entonces se puede decir que
Eficiencia en corriente = 119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119905119890oacute119903119894119888119886
119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119904119906119898119894119899119894119904119905119903119886119889119886 119903119890119886119897x100
1-B Caacutelculo de Espesor
El meacutetodo maacutes satisfactorio para medir el espesor promedio de una capa es disolverla y determinar
el peso de la misma a partir de una muestra cuya aacuterea se conozca en el caso de este estudio se
pesaron las placas antes y despueacutes del electrodepoacutesito para determinar la masa depositada El
espesor se calcula asiacute a partir del peso y del aacuterea y de la densidad o peso especiacutefico del depoacutesito
utilizando la foacutermula
T (espesor) = 119862119882 (119901119890119904119900)
119860(aacute119903119890119886)times119863(119901119890119904119900 119890119904119901119890119888iacute119891119894119888119900)
En donde C es una constante que depende simplemente de las unidades utilizadas En
unidades meacutetricas la ecuacioacuten se transforma en
T(mm) = 10119882(119892119903)
119860(1198881198982)times119863
63
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 7min
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 12min
-0000006 -0000003 0000000 0000003
-040
-038
-036
-034
-032
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
-0000004 -0000002 0000000 0000002
-035
-034
-033
-032
-031
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
64
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 17min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 7min
-00000006 -00000003 00000000 00000003 00000006
-026
-024
-022
-020
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
-00000027 -00000018 -00000009 00000000 00000009 00000018
-028
-024
-020
-016
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
65
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 12min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 17min
-0000004 -0000002 0000000 0000002 0000004
-038
-036
-034
-032
-030
-028
-026
-024
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
-0000006 -0000003 0000000 0000003 0000006 0000009
-032
-031
-030
-029
-028
-027
-026
-025
-024
-023
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
2
Justificacioacuten
Para mitigar el SCC de los componentes internos de los BWR [5] en la actualidad se antildeaden sales
como precursores metaacutelicos por ejemplo Na2Pt(OH)6 que se transforman en partiacuteculas metaacutelicas
al entrar en contacto con el acero debido a la diferencia de potencial entre Fe y Pt [6] adhirieacutendose
al acero estructural por medio de procesos de precipitacioacuten Estas partiacuteculas catalizan las reacciones
de recombinacioacuten de especies oxidantes disminuyendo los procesos de corrosioacuten del acero sin
embargo los catalizadores basados en Pt tienen el inconveniente de costo elevado [7]
En este sentido una posible opcioacuten es la electrodeposicioacuten de un metal sobre la superficie
que se interesa proteger pero la efectividad de estos depoacutesitos depende de la preparacioacuten de la
superficie y de aspectos teacutecnicos ya estandarizados en normativas por ejemplo la Norma ISO
1458-1974 ldquoMetallic coatingsrdquo Si bien son de los mejores meacutetodos para proteger un metal auacuten
presentan diversas anomaliacuteas que generan superficies porosas falta de cohesioacuten y peliacuteculas
amorfas lo que conlleva a altos costos de produccioacuten debido a que se debe repetir el proceso y
contaminacioacuten ambiental a causa de los reactivos quiacutemicos usados para limpiar nuevamente la
superficie a recubrir
Debido a lo anterior este estudio tiene por objeto determinar si el campo magneacutetico influye
o no en las propiedades de adherencia rugosidad y eficiencia de un electrodepoacutesito de niacutequel
Siendo los mayores beneficiarios con este trabajo investigativo el ambiente la industria
galvanoplaacutestica y la comunidad electroquiacutemica
3
Objetivo General
Evaluar el efecto de un campo magneacutetico sobre las propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero bajo carbono especiacuteficamente en un acero AISI 1018
Objetivos Especiacuteficos
1- Elaborar electrodepoacutesitos de niacutequel en acero 1018 con y sin presencia de campo magneacutetico
2- Evaluar los electrodepoacutesitos mediante corriente directa y alterna
3- Analizar los electrodepoacutesitos por medio de pruebas fiacutesicas y quiacutemicas
4- Determinar el efecto de un campo magneacutetico en un electrodepoacutesito de niacutequel
4
Hipoacutetesis
El campo magneacutetico provoca una orientacioacuten en los iones yo moleacuteculas del electrolito destinado
a la electrodeposicioacuten con ello se modifican ciertas propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero 1018
5
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico
11 Antecedentes
El efecto de un campo magneacutetico sobre la orientacioacuten de las moleacuteculas durante un proceso de
formacioacuten de un producto ha sido muy poco estudiado En la industria se encuentran algunos casos
sin que haya reportes formales A continuacioacuten se discutiraacuten algunos de ellos
El ldquoFuel Energy Saverrdquo (Figura 11) es un producto de la compantildeiacutea mexicana ldquoEnergy
Saverrdquo se trata de un inductor de resonancia magneacutetica de alta potencia que genera frecuencias
especiacuteficas la cual fractura las cadenas de hidrocarburos alineando y haciendo todas las moleacuteculas
maacutes accesibles al oxiacutegeno lo que se traduce en una mejor combustioacuten con el consiguiente ahorro
de combustible y reduccioacuten de contaminacioacuten [8] Es aplicable para cualquier tipo de combustible
(gas natural gas LP dieacutesel combustoacuteleo gasoacuteleo) y puede ser usado en todo equipo de iacutendole
industrial (hornos calderas calentadores secadores estufas)
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver
Algunas empresas del ramo automotriz (por ejemplo Mercedes Benz) estaacuten empleando el
principio del FES para que por medio un campo magneacutetico se orienten las moleacuteculas del
combustible y de oxiacutegeno antes de que eacutestas sean consumidas La explicacioacuten a este fenoacutemeno fue
dada por Kita amp Kulish [9] que consiste en lo siguiente el combustible se consumiraacute a medida que
haya oxiacutegeno disponible Si en lugar de que el oxiacutegeno se alimente de manera ldquodesordenadardquo eacuteste
pudiera ser orientado antes de entrar a la caacutemara de combustioacuten se lograriacutea un mejor consumo de
combustible-oxiacutegeno lo cual se traduce en mayor potencia en el motor y un mejor
aprovechamiento del combustible es decir habriacutea menor cantidad de contaminantes (NOx y CO2)
en el escape
6
Otro ejemplo del uso de campos magneacuteticos se puede encontrar en la formacioacuten de
calcaacutereos en intercambiadores de calor La industria que sufre de formacioacuten de dichos productos
tambieacuten ha encontrado beneficios con el uso de un campo magneacutetico colocado en el depoacutesito de
agua y se observa que los productos calcaacutereos se desvanecen tal como se aprecia en la Figura 12
La explicacioacuten a este efecto se atribuye nuevamente a la reorientacioacuten de las moleacuteculas dando como
consecuencia una estructura amorfa en lugar de una cristalina caracteriacutestica de los calcaacutereos [10]
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes (izq)
Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico aplicado
Por el lado de las investigaciones cientiacuteficas se tiene el anaacutelisis del efecto de un campo
magneacutetico de 12 T en la electrodeposicioacuten y estructura de las aleaciones cobalto-tungsteno con
ello Zielinski [11] pudo establecer que la aplicacioacuten del campo magneacutetico cambioacute la composicioacuten
quiacutemica y la morfologiacutea de las aleaciones Co-W
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas (izq) Con
campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
7
De la misma manera Ferreira y Colnago [12] estudiaron la influencia del campo magneacutetico
de una resonancia magneacutetica nuclear (RMN) durante la reaccioacuten electroliacutetica del cobre Sus
resultados fueron exitosos pues la reaccioacuten en presencia de un campo magneacutetico de 023 T tuvo
un rendimiento del doble que la de la reaccioacuten en ausencia de dicho campo
Finalmente pero no menos importantes Calivar [13] con su creacioacuten de modelos de
conveccioacuten magneacutetica en electrodeposicioacuten de peliacuteculas delgadas de cobre y tambieacuten Ispas [14]
con su estudio del efecto de un campo magneacutetico de 05 T en la electrodeposicioacuten de la aleacioacuten
Ni-Fe Ambos llegaron a la misma conclusioacuten un campo magneacutetico provoca una conveccioacuten en el
fluido el cual provoca una contribucioacuten adicional de masa-transporte
12 Generalidades
121 El campo magneacutetico
Se trata de un campo que ejerce fuerzas (denominadas magneacuteticas) sobre los materiales Es una
magnitud vectorial pero no produce ninguacuten efecto sobre cargas en reposo (como siacute lo hace el
campo eleacutectrico doacutende las acelera a traveacutes de la fuerza eleacutectrica) Sin embargo el campo magneacutetico
siacute tiene influencia sobre cargas eleacutectricas en movimiento [15]
Por ejemplo en el estado soacutelido si una carga en movimiento atraviesa un campo magneacutetico
la misma sufre la accioacuten de una fuerza magneacutetica que no modifica la velocidad pero siacute la
trayectoria Cabe mencionar que en el estado liacutequido o en el estado gaseoso el efecto del campo
magneacutetico no estaacute bien definido
Figura 14 El campo magneacutetico
8
La unidad de campo magneacutetico en el Sistema Internacional es el tesla (T) Un tesla se define
como el campo magneacutetico que ejerce una fuerza de 1 N (newton) sobre una carga de 1 C (coulomb)
que se mueve a velocidad de 1 ms dentro del campo
122 Definicioacuten de corrosioacuten
Se denomina corrosioacuten al ataque destructivo de un material generalmente metaacutelico por reaccioacuten
quiacutemica o electroquiacutemica con su medio ambiente (atmoacutesfera suelo agua etc)
La reaccioacuten baacutesica de corrosioacuten es
M Mn+ + ne-
De acuerdo con ello tambieacuten es posible definir la corrosioacuten desde un punto de vista maacutes
electroquiacutemico como el traacutensito de un metal de su forma elemental a su forma ioacutenica o combinada
con una respectiva cesioacuten de electrones [16] Dicho de otra manera el metal a traveacutes de la
corrosioacuten retorna a su forma combinada formando oacutexidos sulfuros hidroacutexidos etc Pues asiacute es
como los metales se encuentran habitualmente en la naturaleza por tratarse de formas
termodinaacutemicamente maacutes estables
El proceso de corrosioacuten es natural y espontaacuteneo y cuanto mayor es la energiacutea gastada en la
obtencioacuten del metal a partir del mineral tanto maacutes es la tendencia del metal a regresar a su forma
basal es decir mucho maacutes favorecida termodinaacutemicamente estaacute la reaccioacuten de oxidacioacuten
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten
Tradicionalmente se establecen dos procesos baacutesicos de ataques corrosivos atendiendo al medio
en el que se producen
Corrosioacuten seca
Corrosioacuten huacutemeda
1231 Corrosioacuten seca
Tiene lugar cuando el material se encuentra sometido a la accioacuten de gases principalmente a
temperaturas elevadas por lo que no se tiene un electrolito condensado Este tipo de corrosioacuten es
la que se produce en calderas sobrecalentadores reactores etc en la parte que estaacute en contacto
con los productos de combustioacuten
9
En la corrosioacuten seca los oacutexidos que se forman son de caraacutecter ioacutenico (cationes metaacutelicos y
aniones de oacutexido regularmente distribuidos) La estructura cristalina formada presenta
normalmente defectos reticulares (deficiencias ioacutenicas) a traveacutes de los cuales se produce la
difusioacuten de iones
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca
1232 Corrosioacuten huacutemeda
Tiene lugar cuando el material se encuentra en medios acuosos (Figura 16) Se produce
normalmente a temperatura ambiente o no muy elevada Es la maacutes extendida por cuanto afecta a
un sinfiacuten de elementos en los que el material es usado en tanques tuberiacuteas intercambiadores
precalentadores carcasas estructuras buques etc
Todos los procesos de corrosioacuten involucran transferencia de carga (iones y electrones) en
particular en el caso de corrosioacuten huacutemeda eacutesta se da a traveacutes de soluciones acuosas (electrolitos)
las cuales son eleacutectricamente conductoras En general el proceso requiere de tres etapas
1) Oxidacioacuten Los aacutetomos metaacutelicos aumentan su valencia al ceder electrones convirtieacutendose
en iones positivos los cuales pasan al electrolito
2) Transporte de carga Los electrones son transferidos al caacutetodo
3) Reduccioacuten Reaccioacuten donde se consumen los electrones generados en la oxidacioacuten
Este tipo de corrosioacuten es netamente electroquiacutemico ya que es un proceso en el que se llevan
a cabo reacciones de oxidacioacuten y de reduccioacuten de ahiacute que se conozca coacutemo proceso REDOX Cabe
mencionar que se puede favorecer una reaccioacuten u otra en caso de inclinarse por la oxidacioacuten
10
entonces se da la corrosioacuten y si es la reduccioacuten se puede proteger al metal por ejemplo con
electrodepoacutesitos
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda
124 Tipos de ataque por corrosioacuten
Es importante sentildealar que la corrosioacuten huacutemeda presenta dos tipos de ataque corrosioacuten uniforme y
corrosioacuten localizada
a) Corrosioacuten uniforme homogeacutenea o generalizada El ataque se extiende de forma
homogeacutenea sobre toda la superficie metaacutelica y por tanto la peacuterdida de material es
aproximadamente la misma en todos los puntos A este tipo de ataque se le identifica por
crecimiento 2D debido a que se desarrolla preferentemente a lo largo de la superficie Por
consiguiente es relativamente faacutecil estimar la vida uacutetil de los materiales metaacutelicos que lo
sufren
b) Corrosioacuten localizada El ataque no se distribuye de forma homogeacutenea localizaacutendose por
el contrario en determinadas zonas de la superficie metaacutelica A este tipo de ataque se le
conoce por crecimiento 3D debido a que se desarrolla de manera local dando preferencia a
la profundidad maacutes que a la superficie Dentro de este tipo de corrosioacuten existe a su vez
otra clasificacioacuten que se menciona a continuacioacuten
11
a Corrosioacuten por picadura
b Corrosioacuten por hendidura
c Corrosioacuten galvaacutenica
d Corrosioacuten intergranular
e Corrosioacuten bajo tensioacuten
f Corrosioacuten cavitacioacuten
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten
125 Celdas electroquiacutemicas
En corrosioacuten una celda es un dispositivo en el cual se producen reacciones quiacutemicas de oxidacioacuten
y reduccioacuten El aparato se integra de las siguientes partes sustancia que contiene iones (electrolito)
dos electrodos (caacutetodo y aacutenodo) y una conexioacuten eleacutectrica entre ambos electrodos
Existen dos tipos de celdas las electroliacuteticas que requieren un voltaje externo (fuente de
poder) y las electroquiacutemicas o galvaacutenicas que solamente necesitan un instrumento para registrar
voltaje Por lo cual se dice que las primeras son no espontaacuteneas y las segundas espontaacuteneas
Termodinaacutemicamente una reaccioacuten espontaacutenea presenta una energiacutea libre de Gibbs negativa y la
no espontaacutenea positiva tal como se aprecia en la Tabla 11
12
1251 Celda galvaacutenica
Una celda galvaacutenica (Figura 18) es aquella en la cual la energiacutea quiacutemica es convertida en energiacutea
eleacutectrica por medio de una reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea Esto se debe a que un metal es maacutes activo
y otro maacutes noble aacutenodo y caacutetodo respectivamente seguacuten la serie galvaacutenica por lo que al ser
conectados eleacutectricamente producen un flujo de electrones desde el caacutetodo al aacutenodo Dicho flujo
genera un potencial eleacutectrico que puede ser medido experimentalmente
Los requisitos para que se produzca un proceso de corrosioacuten en una pila galvaacutenica son los
siguientes
1 Dos superficies con distinto potencial electroacutedico
a Una de ellas que constituye al aacutenodo de la reaccioacuten al ceder electrones sufriraacute la
corrosioacuten Es decir aquiacute se lleva a cabo la reaccioacuten de oxidacioacuten Es el polo
negativo
Mdeg Mne- + ne-
b La otra que constituye el caacutetodo ganaraacute los electrones cedidos por el aacutenodo En
esta zona ocurriraacute la reaccioacuten de reduccioacuten Es el polo positivo
Mne- + ne- Mdeg
13
2 Un electrolito conductor ioacutenico que contiene los elementos caracteriacutesticos del medio
corrosivo Es justo aquiacute en el seno de la solucioacuten donde ocurre el transporte de materia
3 Una conexioacuten eleacutectricamente conductora entre el aacutenodo y el caacutetodo para que sea posible
el transporte de carga
Figura 18 Celda galvaacutenica
1252 Celda electroliacutetica
Las celdas electroliacuteticas no son espontaacuteneas por lo que debe aplicarse externamente un potencial
eleacutectrico para que funcionen Al proveer dicha energiacutea se fuerza a que una corriente eleacutectrica pase
por la celda con el fin de generar reacciones quiacutemicas de oacutexido-reduccioacuten en la superficie de los
electrodos de dicha celda Uno de los procesos maacutes conocidos es el electrodepoacutesito de metales
como cobre niacutequel o zinc Es importante puntualizar que aquiacute el aacutenodo estaraacute cargado
positivamente y el caacutetodo negativamente contrario a lo sucedido en las celdas galvaacutenicas
Las partes que conforman a la celda electroliacutetica son las siguientes
1 Electrolito Al igual que en las celdas galvaacutenicas se necesita de un conductor ioacutenico
2 Aacutenodo En este tipo de celdas el aacutenodo posee el polo positivo y aquiacute se lleva a cabo la
oxidacioacuten de la especie electroquiacutemica
3 Caacutetodo Eacuteste es el polo negativo y en eacutel se produce la reduccioacuten de la especie
electroquiacutemica
14
4 Fuente de energiacutea Es quien aplica la energiacutea necesaria para poder invertir el sentido
natural de la corriente dando lugar a una reaccioacuten quiacutemica opuesta a la que se produce
espontaacuteneamente en la pila
Figura 19 Celda electroliacutetica
13 Principios Electroquiacutemicos
131 Electrolitos
Todos los solutos que se disuelven en agua se agrupan en dos categoriacuteas electrolitos y no
electrolitos Un electrolito es una sustancia que cuando se disuelve en agua forma una disolucioacuten
capaz de conducir la electricidad Un no electrolito por lo tanto no conduce la corriente eleacutectrica
cuando se disuelve en agua
1311 Tipos de electrolitos
Los electrolitos se clasifican en fuertes y deacutebiles Los primeros son sustancias que estaacuten casi
completamente disociadas en la solucioacuten e incluyen soacutelidos ioacutenicos y aacutecidos fuertes Los uacuteltimos
poseen enlaces tan fuertes que muy difiacutecilmente se ionizan en solucioacuten permaneciendo la mayor
parte en forma de moleacuteculas las cuales no tienen la capacidad de transportar carga eleacutectrica como
lo hacen los iones Es importante mencionar que los electrolitos por buenos conductores de la
electricidad que puedan ser siempre tendraacuten menor capacidad para conducir la electricidad que los
materiales soacutelidos [17]
15
132 Ley de Ohm
Una de las maacutes importantes caracteriacutesticas eleacutectricas de un material soacutelido es la facilidad con que
transmite una corriente eleacutectrica La ley de Ohm relaciona la corriente (I) o sea el paso de carga
por unidad de tiempo con el voltaje aplicado (V) de la manera siguiente
V = IR
Donde R es la resistencia del material a traveacutes del cual pasa la corriente Las unidades de
V I y R son respectivamente voltios (V) amperios (A) y ohmios (Ω)
133 Leyes de Faraday
En electroquiacutemica es de suma importancia poder determinar la velocidad a la que ocurren las
reacciones de oacutexido-reduccioacuten cuando una corriente atraviesa una interfase soacutelido-electrolito pues
esto trae como consecuencia un transporte de materia resultado de la peacuterdida (oxidacioacuten) o
ganancia (reduccioacuten) de masa en el electrodo de trabajo
Cabe mencionar que las caracteriacutesticas superficiales del electrodo y las interacciones del
electrolito en dicha superficie son las que determinan la velocidad de reaccioacuten de un proceso
electroquiacutemico [18] Sin embargo hay tantos factores que pueden afectar directamente la velocidad
de reaccioacuten que por ello las leyes de Faraday solo son utilizables cuando el proceso controlador es
la transferencia de carga
Con las investigaciones del fiacutesico britaacutenico Michael Faraday (1791-1867) se descubrieron
las relaciones cuantitativas entre la cantidad de electricidad que pasa a traveacutes de una solucioacuten y la
cantidad de materia separada o precipitada en los electrodos Es decir con dichas expresiones es
posible calcular el transporte de materia en la interfase soacutelido-electrolito [16]
Primera Ley La masa de un ion liberado o depositado en un electrodo es proporcional a
la cantidad de electricidad que pase a traveacutes de la solucioacuten
Ec 11
16
m = 119868119905119875119860
119899119865
Donde PA es el peso atoacutemico la I la corriente en Amperes t el tiempo que pasa dicha carga
en segundos n el nuacutemero de equivalentes involucrados y F la constante de Faraday
Segunda Ley Las cantidades de sustancias liberadas o depositadas por una cantidad de
electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes Aplica cuando una misma
cantidad de electricidad atraviesa distintos electrolitos es decir cuando el proceso se lleva a cabo
en serie
1198981
1198901=
1198982
1198902
Donde m1 y m2 son las masas depositadas y e1 y e2 son los equivalentes quiacutemicos El
equivalente quiacutemico es la relacioacuten entre el peso atoacutemico y el nuacutemero de oxidacioacuten del compuesto
en cuestioacuten
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary
La ecuacioacuten de Stern-Geary establece la relacioacuten entre la densidad de corriente de corrosioacuten (icorr)
es decir la velocidad de corrosioacuten con la resistencia a la polarizacioacuten [19]
119894119888119900119903119903 = 119861
119877119875
119861 = 119887119886119887119888
2303 (119887119886 + 119887119888)
Donde ba y bc son las pendientes de Tafel anoacutedica y catoacutedica respectivamente
La constante B en la ecuacioacuten sirve para presentar una relacioacuten existente entre las
pendientes de Tafel Para que la ecuacioacuten de Stern-Geary sea aplicable es imperativo que exista
comportamiento tafeliano en el sistema electroquiacutemico
Ec 12
Ec 13
Ec 14
Ec 15
17
14 Control de la corrosioacuten
Baacutesicamente todos los meacutetodos que existen para lograr controlar la corrosioacuten de los materiales
metaacutelicos son intentos para interferir con el mecanismo de corrosioacuten de tal manera que se pueda
hacer que eacuteste sea lo maacutes ineficiente posible Dado que para que exista un proceso de corrosioacuten
debe formarse una pila o celda de corrosioacuten ademaacutes de una diferencia de potencial entre los
electrodos o zonas anoacutedicas y catoacutedicas la eliminacioacuten de alguno de los componentes esenciales
de la mencionada pila podriacutea llegar a detener el proceso [20]
En la praacutectica existen tres maneras de lograr lo anterior y enseguida se explicaraacute en queacute
consiste cada una Sin embargo es muy importante sentildealar que ninguacuten meacutetodo elimina la
corrosioacuten sino que todos disminuyen la velocidad de la reaccioacuten de oxidacioacuten ya que el metal
siempre buscaraacute la condicioacuten de miacutenima energiacutea que es la formacioacuten de oacutexidos e hidroacutexidos
141 Proteccioacuten catoacutedica
Se debe recordar que toda estructura propensa a corroerse presenta zonas catoacutedicas y anoacutedicas
siendo estas uacuteltimas aquellas aacutereas donde se lleva a cabo la corrosioacuten Pero si todas las aacutereas
anoacutedicas se pudieran convertir en catoacutedicas la estructura completa funcionariacutea como caacutetodo y la
corrosioacuten se disminuiriacutea considerablemente [21] Ese es el mecanismo de accioacuten de la proteccioacuten
catoacutedica y se puede llevar a cabo de dos maneras tal como lo muestra la Figura 110
Por corriente impresa La proteccioacuten se logra aplicando una corriente externa a partir de
un rectificador que suministra corriente continua de bajo voltaje El terminal positivo de la
fuente de corriente se conecta a un aacutenodo auxiliar (grafito por ejemplo) localizado a una
determinada distancia de la estructura a proteger y el terminal negativo se conecta a la
estructura metaacutelica
Por aacutenodos de sacrificio El metal a proteger se conecta a otro metal menos noble seguacuten
la serie galvaacutenica que actuaraacute como aacutenodo en la celda de corrosioacuten En ese caso la
estructura actuaraacute como caacutetodo y quedaraacute protegida por el ldquosacrificiordquo del aacutenodo que se
corroeraacute
18
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de sacrificio de
magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
142 Inhibidores de corrosioacuten
Los inhibidores son sustancias orgaacutenicas o inorgaacutenicas que se agregan a la solucioacuten corrosiva con
el fin de disminuir su poder de ataque y asiacute reducir la velocidad de corrosioacuten Se puede decir que
un inhibidor es un calmante de la corrosioacuten pues como ya se mencionoacute con anterioridad ninguacuten
meacutetodo la elimina en su totalidad
El comportamiento de los inhibidores puede ser muchas veces peligroso ya que en funcioacuten
de la concentracioacuten pueden jugar tanto el papel de inhibidores como de estimuladores de la
corrosioacuten [21]
Los hay de dos tipos aunque a veces se utiliza una combinacioacuten de ambos
1) Inhibidores anoacutedicos Actuacutean formando un compuesto insoluble el cual precipita en los
lugares afectados por la peacuterdida de materia evitando la reaccioacuten anoacutedica y por lo tanto
inhibe la corrosioacuten Ejemplos hidroacutexido soacutedico carbonato silicato y borato de sodio
ciertos fosfatos cromato soacutedico nitrito y benzoato de sodio etc
2) Inhibidores catoacutedicos Actuacutean sobre toda la superficie formando una capa o peliacutecula de
alta resistencia eleacutectrica la cual funciona como una barrera para la corriente de corrosioacuten
Ejemplos sulfato de zinc sulfato de magnesio bicarbonato de calcio etc
143 Recubrimientos protectores
Los recubrimientos representan la primera liacutenea en la lucha contra la corrosioacuten Los recubrimientos
sea cual fuere su tipo no mejoran las caracteriacutesticas mecaacutenicas del elemento sin embargo
preservan su resistencia e integridad Sus objetivos pueden ser variados siendo el principal aislar
la estructura del medio agresivo con el que se encuentra en contacto (agua suelo y atmoacutesfera por
lo general) aunque tambieacuten cumplen en ocasiones fines cosmeacuteticos
19
En general se emplean bajo condiciones muy amplias como puede ser exposicioacuten
atmosfeacuterica inmersioacuten en agua estructuras enterradas elementos sometidos a quiacutemicos etc Los
recubrimientos representan la uacuteltima etapa de los procesos de fabricacioacuten de cualquier pieza
sistema o equipo siendo normalmente aplicados antes del ensamble [21] Existe por lo tanto una
amplia gama de materiales que pueden ser utilizados como recubrimientos de los metales
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos
Orgaacutenicos Los recubrimientos orgaacutenicos son poliacutemeros y resinas producidas en forma
natural o sinteacutetica generalmente formulados para aplicarse como liacutequidos que se secan o
endurecen como peliacuteculas delgadas en materiales del sustrato Por ejemplo las pinturas
Inorgaacutenicos Los recubrimientos inorgaacutenicos proporcionan acabados tersos y maacutes
duraderos los maacutes usados son el vidrio y los ceraacutemicos
Metaacutelicos Los recubrimientos metaacutelicos se aplican mediante capas finas que funcionen
como aacutenodos sacrificables que puedan ser corroiacutedos en lugar del metal subyacente Por
ejemplo Niquelado cromado galvanizado electroliacutetico inmersioacuten en caliente etc
15 Galvanoplastia
La galvanoplastia es una teacutecnica que proporciona un recubrimiento metaacutelico a una estructura que
deseamos proteger El elemento adherido modifica las propiedades superficiales del material sobre
el cual se depositan promoviendo caracteriacutesticas que son imposibles de obtener en el metal base
Es un meacutetodo que se fundamenta en la electroacutelisis para asiacute cubrir un metal base con un fina
capa de otro metal ya sea cobre niacutequel cromo oro plata con el fin de embellecerlo o impartirle
resistencia a la corrosioacuten
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten
La electrodeposicioacuten puede ser de un solo metal de capas de diferentes metales o de una aleacioacuten
(por ejemplo latoacuten) Los metales maacutes utilizados para electrodepoacutesito son en orden de importancia
zinc niacutequel estantildeo y cadmio [22] Tambieacuten es usual recubrir con oro plata y platino En el caso
de aleaciones es comuacuten la aplicacioacuten de Babbitts (aleaciones Pb-Sn) Es conveniente mencionar
que la mayoriacutea de los metales se pueden depositar por eacuteste procedimiento
20
En teacuterminos simples este proceso consiste en la inmersioacuten de la parte a recubrir en un
electrolito que contenga iones del metal a depositar para asiacute proceder al paso de una corriente
directa que permita el depoacutesito en la pieza (caacutetodo) donde los iones son repuestos por la accioacuten de
la propia corriente sobre el aacutenodo
Pero iquestcoacutemo sucede realmente el fenoacutemeno de la electrodeposicioacuten A continuacioacuten se
daraacute una explicacioacuten maacutes detallada sin embargo solo las reacciones en el caacutetodo seraacuten presentadas
ya que en general las reacciones en un aacutenodo soluble seraacuten las inversas de aquellas presentes en
el caacutetodo
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre
Suponga una solucioacuten de una sal metaacutelica tal como el sulfato de cobre (Figura 111) la sal
se disocia considerablemente formando cationes cargados positivamente y aniones cargados
negativamente como ya se ha mencionado anteriormente El agua presente se disocia un poco para
formar iones hidroacutegeno e hidroxilo Todo aacutecido sulfuacuterico presente se disocia tambieacuten en iones
hidroacutegeno y en iones ya sea HSO4- o ya sea SO4
-2 La mayor parte de estos iones estaacuten hidratados
o sea que se encuentran combinados con una o maacutes moleacuteculas de agua
Cuando se aplica un potencial a dos electrodos en una solucioacuten asiacute los cationes cargados
positivamente emigran hacia el caacutetodo y los aniones negativos se mueven hacia el aacutenodo En una
solucioacuten acidificada la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es relativamente alta y la de los iones
hidroxilo es muy baja En virtud de que los iones hidroacutegeno se mueven maacutes raacutepidamente que los
iones cobre la mayor parte de la corriente es llevada hacia el caacutetodo por los iones hidroacutegeno Sin
embargo es maacutes faacutecil descargar los iones cobre asiacute que praacutecticamente toda la corriente que se usa
en el caacutetodo es para depositar cobre
21
Es difiacutecil representar el proceso implicado en el depoacutesito real de un metal sobre el sustrato
El caacutetodo se encuentra cargado negativamente o sea tiene una concentracioacuten de electrones
relativamente alta los cuales siempre aprovechan la oportunidad de combinarse con iones cargados
positivamente para asiacute formar los aacutetomos metaacutelicos
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel
El niacutequel (Ni) es un elemento quiacutemico de nuacutemero atoacutemico 28 situado en el grupo 10 de la tabla
perioacutedica de los elementos Es un metal blanco plateado duro maleable y duacutectil que puede
presentar un intenso brillo
Como elemento aleante proporciona resistencia tenacidad y proteccioacuten contra la corrosioacuten
El uso principal del niacutequel como metal es en la electrodeposicioacuten de piezas ya que funge como
protector corrosivo y de desgaste ante otros materiales que suelen ser maacutes susceptibles
ambientalmente tal como el hierro o el acero ademaacutes de embellecer la superficie El niacutequel es un
metal muy poco activo y bajo casi todas las condiciones tiende a resistir manchas y oxidacioacuten [23]
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel
Normalmente los galvanizados de niacutequel se hacen a partir de soluciones aacutecidas variando en un
rango de pH de 15 a 60 Una excepcioacuten es el uso de un bantildeo alcalino amoniacal de niacutequel con un
pH cerca de 9 [22]
A pesar de las muchas foacutermulas de bantildeos de niacutequel casi todas ellas contienen tres componentes
esenciales
Sulfato de niacutequel Constituye la principal fuente de iones niacutequel ademaacutes de controlar los
liacutemites admisibles de densidad de corriente
Cloruro de niacutequel Suministra los iones cloruros necesarios para asegurar la corrosioacuten de
los aacutenodos de niacutequel Tambieacuten es una fuente secundaria de iones niacutequel
Aacutecido boacuterico Actuacutea como agente tampoacuten y para conservar la adhesioacuten del depoacutesito de
niacutequel
A continuacioacuten se enlistan las teacutecnicas principales que se utilizan en los depoacutesitos de niacutequel
[22] Cabe mencionar que las concentraciones exactas y las condiciones de operacioacuten pueden
modificarse pero los valores que se dan pueden servir de guiacutea
22
1 Niacutequel a bantildeo friacuteo diluido
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 09 120 16
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Fluoruro de amonio NH4F 057 65 87
2 Bantildeo caliente Tipo Watts
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 04 45 6
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
pH para operacioacuten a un alto pH 45-55 a un bajo pH 15-30
Temperatura 43deg C (110 degF)
Densidad de corriente 2-7 ampdm2 (20-65 ampft2)
3 Bantildeo de alto sulfato
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 05 70 9
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Sulfato de sodio Na2SO4 10 160 22
Aacutecido boacuterico H3BO3 025 M 15 2
pH 55
Temperatura 20-30 degC (68-86 degF)
Densidad de corriente 15-30 ampdm2 (14-28 ampft2)
4 Bantildeo brillante de niacutequel-cobalto
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
23
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 038 45 6
Sulfato de cobalto CoSO4 7H2O 011 15 2
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
Sulfato de amonio (NH4)2SO4 004 25 03
Formato de niacutequel Ni(COOH)2 067 50 67
Formaldehiacutedo HCHO (40) 25 03
pH 45
Temperatura 55 degC (131 degF)
Densidad de corriente 3 ampdm2 (28 ampft2)
1522 Condiciones de operacioacuten
El caraacutecter del depoacutesito depende de varios factores incluyendo la temperatura la densidad de
corriente el pH la distancia entre los electrodos y la agitacioacuten los cuales se ajustan para producir
recubrimientos gruesos o delgados mates o brillantes suaves o duros duacutectiles o fraacutegiles [22] Cabe
mencionar que los valores oacuteptimos para cada factor variacutean de acuerdo con el tipo del bantildeo por lo
que no es posible dar cifras determinadas En su lugar se indicaraacuten los efectos sobre el caraacutecter de
los depoacutesitos obtenidos
pH La eleccioacuten de pH es regida por el tipo de bantildeo y las propiedades que se desean en el
depoacutesito En general en bantildeos de niacutequel opaco un aumento en el pH especialmente arriba de 50
produce depoacutesitos maacutes duros probablemente como resultado de mayor precipitacioacuten
Reciacuteprocamente los depoacutesitos de bajo pH seraacuten probablemente suaves
Temperatura La ventaja de aplicar altas temperaturas depende de varios factores
incluyendo (1) maacutes elevada solubilidad del niacutequel u otras sales (2) mayor conductividad (3)
reducida polarizacioacuten en ambos electrodos y (4) aumento de eficiencia en el aacutenodo y caacutetodo
Aunque de igual manera se pueden presentar ciertas desventajas (1) aumento de la tendencia a la
precipitacioacuten de impurezas (2) la propensioacuten a coagular agentes abrillantadores (3) vaporizacioacuten
excesiva (4) produccioacuten de depoacutesitos pasivos y (5) menor potencia de depoacutesito
Densidad de corriente La densidad de corriente es dependiente de los dos factores
anteriores A temperatura ambiente especialmente en bantildeos diluidos se emplean densidades de
24
corriente de 5 a 20 Aft2 (05 a 2 Adm2) En bantildeos maacutes fuertes y calientes se pueden usar
densidades de corriente hasta de 60 Aft2 (6 Adm2)
Agitacioacuten El efecto de la agitacioacuten equivale a un aumento en concentracioacuten de niacutequel y a
una disminucioacuten de pH lo que permite densidades de corriente maacutes altas Una desventaja de la
agitacioacuten raacutepida en los bantildeos de niacutequel es que con el movimiento suben a la superficie las partiacuteculas
suspendidas lo que trae consigo un depoacutesito aacutespero
Distancia entre electrodos La elaboracioacuten de recubrimientos con espesor uniforme
depende tambieacuten de la propia disposicioacuten y espacio adecuado de las piezas de trabajo aacutenodo y
caacutetodo Por lo que entre maacutes cercana esteacute la superficie a recubrir del aacutenodo mayor seraacute el espesor
del depoacutesito obtenido
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel
Las propiedades fiacutesicas del niacutequel electrodepositado son de especial intereacutes porque hay una gran
variedad de propiedades el control de las cuales de las cuales crea aplicaciones especiales del
niacutequel por ejemplo en electroformacioacuten Las siguientes propiedades son para depoacutesitos opacos de
niacutequel [22]
Dureza Esta variacutea en los diferentes depoacutesitos de niacutequel cerca de 130 a 430 HB En el bantildeo
tipo Watts se obtuvo un miacutenimo de dureza a un pH de 3 obtenieacutendose depoacutesitos maacutes duros abajo
y arriba de este liacutemite Los depoacutesitos maacutes duros se obtienen con un alto pH
Resistencia a la tensioacuten En general la resistencia a la tensioacuten es casi paralela a la dureza
y va de 56 000 a 160 000 lbplg2 (3 900 a 11 000 kgcm2)
Ductilidad La ductilidad medida por elongacioacuten es casi inversamente proporcional a la
dureza y a la resistencia a la tensioacuten
Resistividad eleacutectrica La resistividad eleacutectrica del niacutequel depositado es influenciada por el
contenido de inclusiones como el oacutexido y el cobalto Se presenta un poco en un pH 3
Composicioacuten Los depoacutesitos de niacutequel contienen oxiacutegeno e hidroacutegeno probablemente
presentes como compuestos baacutesicos del niacutequel como Ni(OH)2 El cloruro puede estar presente en
los depoacutesitos de todos los bantildeos de cloruro Estas inclusiones indudablemente tienen influencia en
la dureza y resistencia a la tensioacuten
25
1524 Niquelado en diferentes metales base
Debido a que el niacutequel es el maacutes extensamente aplicado a numerosos metales base solo algunos
ciclos empleados seraacuten considerados en esta seccioacuten [22]
Niquelado en acero El niacutequel puede ser depositado directamente sobre acero o sobre una
capa delgada o gruesa de cobre Debido a numerosas pruebas de corrosioacuten y a lo demostrado por
la experiencia se sabe que las capas de cobre ejercen menos proteccioacuten que una densidad igual de
niacutequel por lo tanto la tendencia actual es eliminar el cobre
Niquelado en hierro vaciado La dificultad de galvanizar sobre hierro vaciado estaacute
indudablemente asociada con la presencia de carbono liberado o grafito en el hierro Si eacuteste
permanece parcialmente embebido el niacutequel no se deposita tan faacutecilmente sobre el carboacuten o
carburos como en los cristales de hierro Por ello se utiliza una capa de cobre ya que mejora la
adhesioacuten del niacutequel al hierro vaciado La limpieza catoacutedica en caacuteustico fundido es algunas veces
efectiva y la saturacioacuten en aacutecido fluorhiacutedrico puede ayudar Por buena que sea la adhesioacuten del
niacutequel al hierro vaciado no es tan buena como en el acero
Niquelado en cobre y latoacuten La praacutectica maacutes comuacuten es aplicar el niacutequel directamente al
cobre o latoacuten seguido por la acostumbrada capa de cromo Ha sido demostrado concluyentemente
que las capas de cromo aplicadas directamente al latoacuten dan menos proteccioacuten contra la corrosioacuten
que cuando se aplica primero una capa de niacutequel
Niquelado en zinc y vaciados con base de zinc Se ha confirmado por muchas pruebas que
las capas adherentes de niacutequel pueden ser aplicadas directamente a troquelados de zinc usando un
alto-sulfato en bantildeo de niacutequel El principio de este bantildeo es la adicioacuten de suficiente sulfato de sodio
para reducir la actividad del ion niacutequel y aumentar la polarizacioacuten del caacutetodo De este modo se
evita que el zinc pase a la solucioacuten precipitando niacutequel oscuro Este bantildeo de alto sulfato de niacutequel
tiene una excelente conductividad y potencia de depoacutesito
Niquelado en magnesio El galvanizado de niacutequel u otros metales en magnesio o sus
aleaciones se hace difiacutecilmente por la alta actividad del magnesio y su consecuente tendencia a
depositar niacutequel u otros metales pesados por inmersioacuten Debido a la gran diferencia de potenciales
de solucioacuten del magnesio y de metales como el cobre niacutequel o cromo eacutestos pueden galvanizarse
sobre el magnesio cuya corrosioacuten se acelera raacutepidamente si hay algunos poros o discontinuidad en
26
los recubrimientos Mientas no se pueda demostrar que pueden producirse y mantenerse
recubrimientos electroliacuteticos casi impenetrables en el magnesio y sus aleaciones es de dudarse que
estos galvanizados puedan tener una aplicacioacuten industrial
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de materiales consiste en la obtencioacuten de informacioacuten acerca de un material
bajo estudio (composicioacuten estructura morfologiacutea y otras propiedades) a partir de la interaccioacuten de
una sentildeal (eleacutectrica luminosa teacutermica etc) con una porcioacuten de dicho material Por tanto toda
caracterizacioacuten de un material supone una agresioacuten es decir una perturbacioacuten del mismo El
estudio de la respuesta del material a dicha perturbacioacuten tiene la finalidad de dar a conocer las
propiedades del mismo para asiacute predecir si seraacute uacutetil o no en una determinada aplicacioacuten
Se puede asegurar que la ayuda de las nuevas teacutecnicas de caracterizacioacuten y anaacutelisis ha sido
indispensable en el disentildeo siacutentesis y procesado de estos materiales permitiendo un cuidadoso
control de sus propiedades e incluso en muchos casos con la posibilidad de fijar de antemano
alguna de sus caracteriacutesticas
161 Dureza
La dureza es una propiedad de los materiales soacutelidos y se define como la resistencia que oponen
estos materiales a ser deformados Una buena dureza significa generalmente que el material es
resistente al rayado y al desgaste [23]
1611 Ensayo de dureza Vickers
Este ensayo usa un indentador en forma de piraacutemide hecho de diamante Figura 112 (a) El ensayo
se basa en el principio de que las impresiones hechas por este indentador tienen geometriacuteas
similares independientemente de la carga aplicada En consecuencia se aplican varias cargas
dependiendo de la dureza del material a ensayar [24] la dureza Vickers se determina entonces con
la foacutermula
HV = 1854 119865
1198632
Donde F es la fuerza aplicada en kgf y D es la diagonal de la impresioacuten hecha por el
indentador en mm El ensayo Vickers puede usarse para todos los metales porque cuenta con una
de las escalas maacutes amplias entre los ensayos de dureza
Ec 16
27
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante un ensayo de dureza
162 Rugosidad
El acabado superficial de los cuerpos puede presentar errores de forma macro y micro geomeacutetricos
auacuten las superficies consideradas como ldquomuy lisasrdquo muestran cuando son analizadas a escala
sumamente fina una compleja diversidad de particularidades geomeacutetricas [25] Por lo tanto la
rugosidad es el conjunto de irregularidades en una superficie real
1621 El perfiloacutemetro
El rugosiacutemetro o perfiloacutemetro es por mucho el equipo maacutes utilizado en la industria para medir la
rugosidad de componentes comunes El principio de operacioacuten de este equipo es simple una fina
punta en contacto con la superficie a analizar realiza un barrido controlado en liacutenea recta y las
variaciones de alturas se convierten en sentildeales eleacutectricas que son debidamente registradas
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro
28
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB)
En el microscopio electroacutenico de barrido se construyen imaacutegenes aprovechando la emisioacuten de
electrones (electrones secundarios) de una muestra cuando sobre ella incide un haz enfocado de
electrones de alta energiacutea La muestra tambieacuten emite rayos X los cuales pueden ser analizados para
obtener informacioacuten sobre la composicioacuten del material [26] Cada sentildeal del MEB es captada con
un detector apropiado
Los electrones emitidos por la interaccioacuten del haz incidente y la muestra son colectados por
los correspondientes detectores para producir una sentildeal eleacutectrica la cual se utiliza para modular la
intensidad de un haz de electrones que incide en la pantalla de un tubo de rayos catoacutedicos (TRC)
de manera que mediante un barrido sincronizado del haz incidente en la superficie de una muestra
y del haz incidente en la pantalla del TRC se produce la imagen de la muestra [26]
La emisioacuten de electrones y de rayos X de la muestra se origina por las colisiones de
electrones del haz incidente con electrones de los aacutetomos del material de la probeta tal como se
puede observar en la Figura 114
Algunas colisiones son elaacutesticas de modo que algunos electrones del haz primario pueden
salir de la superficie de la muestra sin una significativa peacuterdida de energiacutea estos son los llamados
electrones reflejados Pero la mayoriacutea de las colisiones son inelaacutesticas y entre otros efectos
originan emisioacuten de electrones de baja energiacutea conocidos como electrones secundarios
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y fotones por la
interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
29
1631 Componentes baacutesicos del MEB
Cantildeoacuten de electrones que produce un haz con energiacutea entre 5 keV y 30 keV con un diaacutemetro
efectivo entre 01 microm y 10 microm
Lentes electromagneacuteticas condensadoras que reducen el diaacutemetro del haz de manera que en
la superficie de la muestra se tiene un diaacutemetro apropiado al aumento de la imagen
Apertura final la cual controla la divergencia del haz incidente en la muestra
Una lente objetivo que enfoca el haz en la superficie de la muestra
Sistema de barrido el cual permite la construccioacuten de la imagen en la pantalla del TRC por
el barrido del haz en la superficie de la muestra
Detectores de sentildeales emitidas por la muestra (Electrones secundarios electrones
reflejados rayos X etc)
Tubo de rayos catoacutedicos para presentacioacuten de la imagen
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica es una teacutecnica relativamente nueva que permite obtener
imaacutegenes de superficies a escala molecular [27] El microscopio consta esencialmente de una punta
de Si3N4 montada sobre un fleje Con esta punta se realiza un barrido sobre la superficie de la
muestra la cual se situacutea sobre un escaacutener piezoeleacutectrico El funcionamiento del microscopio se
basa en el control por un ordenador de la fuerza ejercida por la punta durante el barrido (Ver Figura
30
116) En el modo denominado de contacto la fuerza punta-muestra se mantiene constante
mediante un sistema de retroalimentacioacuten basado en los siguientes puntos
1) La variacioacuten de la fuerza punta-muestra se traduce en movimientos verticales y horizontales
del fleje que hacen variar la direccioacuten de un rayo laacuteser incidente sobre eacutel Estos cambios en
la direccioacuten del laacuteser son recogidos por un fotodetector y analizados por un ordenador
2) Los aumentos o disminuciones de fuerza son compensados por el ordenador que enviacutea una
sentildeal al piezoeleacutectrico para que acerque o aleje la muestra a la punta
3) Tanto las variaciones del haz luminoso como los movimientos controlados del
piezoeleacutectrico son convertidos por el ordenador en un mapa topograacutefico de la superficie
Figura 116 Funcionamiento de un MFA
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX)
El meacutetodo de difraccioacuten por rayos X es una herramienta poderosa para investigar la disposicioacuten
ordenada de los aacutetomos o moleacuteculas por medio de la interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica
para producir efectos de interferencia con estructuras comparables en tamantildeo a la longitud de onda
de la radiacioacuten
31
Al igual que con los tipos de radiacioacuten electromagneacutetica la interaccioacuten entre el vector
eleacutectrico de la radiacioacuten X y los electrones de la materia que atraviesa da lugar a una dispersioacuten
Cuando los rayos X son dispersados por el entorno ordenado de un cristal tienen lugar
interferencias (constructivas y destructivas) entre los rayos dispersados ya que las distancias entre
los centros de dispersioacuten son del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la radiacioacuten
La teacutecnica de difraccioacuten de rayos X aplicada al estudio de materiales permite obtener
informacioacuten importante sobre distintos aspectos de los mismos Para recubrimientos [28] eacutesta
teacutecnica es imprescindible para determinar
Tipo de estructura (FCC HCP etc)
Esfuerzos residuales
Microdeformaciones
Tamantildeo de grano
Fases presentes
Proporcioacuten relativa de las fases
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X
El fenoacutemeno de difraccioacuten es la interferencia entre las ondas que se genera cuando hay un objeto
en su trayecto Para comprender mejor esto supoacutengase dos planos reticulares 1 y 2 tal como en la
Figura 117 de un cristal con una distancia d entre ambos converge un haz de rayos X procedente
de A con un aacutengulo de incidencia θ este haz en parte se refleja sobre el primer plano hacia F y
en parte atraviesa y se refleja sobre el plano 2 hacia F3 y asiacute sucesivamente sobre los otros planos
[29]
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X
32
En el punto D se sobrepone un rayo reflejado por el primer plano reticular y el otro del
segundo cuya diferencia de camino despueacutes de la reflexioacuten es CD-ED Si tal diferencia es un
muacuteltiplo entero n de la longitud de onda λ de la radiacioacuten X los dos rayos en D estaraacuten en
concordancia de fase y sobreponieacutendose aumentaraacute su intensidad
Por el contrario si estaacuten en discordancia tenderaacuten a anularse Para que se verifique esta
condicioacuten es necesario que las magnitudes λ d θ y n satisfagan la relacioacuten de la Ley de Bragg
nλ = 2 d sen θ
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP)
La teacutecnica electroquiacutemica llamada Resistencia a la Polarizacioacuten es el resultado de la aproximacioacuten
de bajo campo a la ecuacioacuten de Butler-Volmer y por este motivo se debe aplicar solamente cuando
exista control activacional o por transferencia de carga
Los materiales que son susceptibles de ser evaluados mediante la aplicacioacuten de la RP deben
estar inmersos en electrolitos conductores es decir que la resistividad de las soluciones no sea alta
y deben encontrarse libres de peliacuteculas resistivas
1661 Procedimiento experimental
Para realizar un estudio experimental de Resistencia a la Polarizacioacuten lo mejor es acudir a la norma
ASTM G 59-91 [32] En general los pasos a seguir de acuerdo a la norma son los siguientes
Usar un puente salino que acerque el electrodo de referencia a 2 o 3 mm de la superficie
del electrodo de trabajo
Registrar el potencial de corrosioacuten despueacutes de 5 minutos
Aplicar un potencial 30 mV maacutes negativo que el potencial registrado
Un minuto despueacutes de que se aplique el potencial se inicia un barrido con direccioacuten anoacutedica
a 06 Vh (10 mVmin) registrando el potencial y la corriente continuamente
Terminar el barrido cuando se alcanza un valor de 30 mV positivo que el potencial de
corrosioacuten
Graficar la curva de polarizacioacuten
Determinar graacuteficamente la resistencia a la polarizacioacuten como la tangente a la curva en el
origen de la graacutefica
Ec 17
33
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE)
La teacutecnica de Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica es un meacutetodo electroquiacutemico
utilizado en estudios de corrosioacuten el cual se basa en el uso de una sentildeal de corriente alterna (CA)
que es aplicada a un electrodo (metal en corrosioacuten) y determinando la respuesta correspondiente
En el procedimiento experimental comuacutenmente utilizado se aplica una sentildeal sinusoidal de
voltaje y se mide su respuesta en corriente a diferentes frecuencias aunque es posible aplicar una
pequentildea cantidad de corriente y medir la respuesta del potencial El voltaje la corriente y la
frecuencia son relacionadas por la impedancia en una forma anaacuteloga a la ley de Ohm
V = IZ
Donde Z es la impedancia del circuito A diferencia de la resistencia la impedancia de un
circuito puede depender de la frecuencia aplicada
Cuando se aplica una sentildeal de CA incluso en un sistema de corrosioacuten sencillo se comporta
de manera maacutes complicada que una sola resistencia Pues existe tambieacuten una capacitancia la de la
doble capa electroquiacutemica (Cdl) que es debida a la carga de las especies existentes en la interfase
metal-electrolito y que se encuentra presente en todos los sistemas corrosivos Ademaacutes estaacute la
resistencia de la solucioacuten (Rs) para que se le permita La combinacioacuten de estos tres componentes
proporciona un circuito equivalente simple para un metal que se corroe Dicho circuito es una
combinacioacuten de elementos eleacutectricos tales como resistores y capacitores lo que da la misma
respuesta a sentildeales eleacutectricas como el metal real que se corroe [30] El circuito simple descrito
anteriormente se muestra en la Figura 118
Figura 118 Circuito equivalente simple
Los espectros de impedancia se pueden utilizar para identificar y cuantificar las
capacitancias en el sistema y para separar diferentes resistencias por ejemplo la resistencia de la
solucioacuten y la resistencia a la polarizacioacuten A altas frecuencias la resistencia de la solucioacuten se puede
cuantificar A frecuencias maacutes bajas los diferentes tipos de procesos se producen en diferentes
Ec 18
34
escalas de tiempo (en diferentes frecuencias) y puede ser posible identificar los procesos de
difusioacuten o los fenoacutemenos de adsorcioacuten y desorcioacuten [3031]
1671 Representaciones graacuteficas
Solamente existen dos maneras de representar los valores experimentales de la espectroscopia de
impedancia electroquiacutemica
1 Diagramas de Nyquist Tipo de representacioacuten maacutes comuacuten que consiste en graficar los
valores de la impedancia real frente a los de la impedancia imaginaria Estos diagramas
permiten identificar la resistencia del electrolito la resistencia a la transferencia de carga y
la resistencia a la polarizacioacuten [3031] en la mayor parte de los casos La Figura 119
muestra un ejemplo de este tipo de diagramas
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist
2 Diagramas de Bode En este tipo de representaciones se pueden obtener dos diagramas el
moacutedulo de la impedancia y el aacutengulo de fase (Figura 120) Tambieacuten en funcioacuten de la parte
real o la imaginaria pero en escala logariacutetmica Ambos graacuteficos son particularmente uacutetiles
cuando existen constantes de tiempo con valores muy proacuteximos que no se pueden distinguir
en los diagramas de Nyquist
35
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b) Moacutedulo de
impedancia
1672 Ecuacioacuten de Brug
Como bien se sabe el objetivo de los experimentos de EIS es a menudo extraer la capacitancia de
las peliacuteculas (posiblemente como una funcioacuten del potencial aplicado) y por lo tanto para obtener
informacioacuten sobre las propiedades dieleacutectricassemi-conductoras de dichas peliacuteculas Sin embargo
en diversos sistemas la estimacioacuten de la capacitancia es difiacutecil debido a que un comportamiento
de elemento de fase constante (CPE) se observa en lugar de un comportamiento capacitivo
Brug [33] propuso una foacutermula (Ec 19) que relaciona la resistencia del electrolito (Re) y
la resistencia a la transferencia de carga (Rtc) donde es posible calcular la capacitancia contenida
en el CPE
119862 = 1198761
120572[119877119890minus1 + 119877119905119888minus1]1minus120572
120572
Donde C es la capacitancia Q es el factor de Brug Re es la resistencia del electrolito Rtc
es la resistencia a la transferencia de carga y α es la pendiente de la impedancia calculada a bajas
frecuencias
Ec 19
36
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental
21 Preparacioacuten superficial de muestras
A partir de una laacutemina de acero 1018 de 150 x 1 m se cortaron 48 placas de 10 x 2 cm cada una
con una cizalla ya que se necesitaba que cada muestra fuera perfectamente paralela para el proceso
de electrodeposicioacuten
Las placas de acero presentaban una capa de oacutexido por lo que se siguioacute la norma ASTM
G1 [34] para decapar cada muestra durante 10 minutos en HCl al 50 (Ver figura 21) para
posteriormente lavarse con agua potable y asiacute pasar al lijado con granulometriacutea 180 240 320 400
y 600 Seguido de un lavado con agua destilada para eliminar residuos de material removido y
finalizando con un bantildeo de acetona para retirar cualquier resto de humedad y grasa
Figura 21 Decapado de muestras
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos
Para los electrodepoacutesitos con influencia de un campo magneacutetico se utilizaron dos imanes de
neodimio sin embargo no teniacutean sentildealizacioacuten alguna para diferenciar sus polos ni se conociacutea el
valor del campo Entonces se utilizoacute una bruacutejula para determinar el norte y sur de cada imaacuten asiacute
como se aprecia en la Figura 22
37
Figura 22 Determinacioacuten de los polos
Y el campo magneacutetico se midioacute con un gausiacutemetro Marca RFL modelo 91 (Figura 23)
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico
23 Preparacioacuten del electrolito
Para el proceso de electrodeposicioacuten se empleoacute un bantildeo Watts estaacutendar [35] cuya composicioacuten se
presenta en la Tabla 21
38
Para la deposicioacuten electroliacutetica sin campo se preparoacute un litro de solucioacuten y para la que teniacutea
influencia de campo magneacutetico se hicieron dos litros
24 Obtencioacuten de recubrimientos
Para las electrodeposiciones se utilizoacute una fuente de poder marca Good Will Instrumets modelo
GPR-3510HD En cuya terminal negativa se conectoacute el caacutetodo (acero 1018) y en la positiva el
aacutenodo (niacutequel soacutelido Figura 24) Ambos electrodos se colocaron paralelamente cara con cara
Figura 24 Rondelas de niacutequel
Los electrodepoacutesitos de niacutequel sobre acero 1018 con y sin influencia de campo magneacutetico
se llevaron a cabo a voltaje constante siendo eacuteste de 4 V midiendo la corriente resultante al
finalizar el proceso las muestras se lavaron con agua destilada y se dejaron secar al ambiente Se
realizaron seis condiciones diferentes tal como lo muestra la Tabla 22
En el caso de los electrodepoacutesitos en presencia de campo magneacutetico se utilizaron dos
imanes de Neodimio (Valor fluctuante de 15 a 34 T) los cuales se instalaron en la cuba
electroliacutetica el polo norte cerca del aacutenodo y el polo sur del caacutetodo tal como lo muestra la Figura
25
39
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con imanes de
neodimio
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos
Las muestras electrodepositadas con y sin presencia de campo magneacutetico se fijaron a una celda
de acriacutelico con un aacuterea de exposicioacuten de 133 cm2 en dicha celda se vertioacute una solucioacuten de NaCl
al 3 en peso se colocoacute una tapa y se introdujeron un electrodo de referencia de AgAgCl y un
contra-electrodo de grafito Dicha celda se conectoacute a un potenciostato marca Bio-logic modelo
SP-150 controlado mediante una computadora de escritorio con su respectivo software El
dispositivo utilizado para las pruebas se puede ver en la Figura 26a
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el electrodo de
referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo (ET)
40
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
Se utilizoacute la teacutecnica de RP en modo potenciodinaacutemico en un intervalo de plusmn 20 mVEcorr a una
velocidad de barrido de 01667 mVs haciendo la respectiva curva de polarizacioacuten mediante la
computadora Previo a esto el electrodo de trabajo se dejoacute estabilizar en el electrolito (NaCl al 3
peso) durante 30 minutos
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica
Al teacutermino de la medicioacuten de la RP el electrodo de trabajo se dejoacute a circuito abierto durante 15
minutos Posteriormente se utilizoacute la teacutecnica EIE en un intervalo de frecuencias de 50 kHz a 50
mHz a 7 puntos por deacutecada y 10 mV de perturbacioacuten
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos
Para la caracterizacioacuten superficial las placas se cortaron en una maacutequina dobladora a una medida
de 2 x 2 cm para asiacute poder ingresar a ciertos equipos Se eligioacute una muestra de cada condicioacuten
tanto con y sin influencia de campo magneacutetico
261 Dureza
Los estudios de dureza fueron obtenidos con un microduroacutemetro de Vickers marca
Mitutoyo Colocando las placas en el portamuestras del microscopio se hizo incidir el indentador
de diamante aplicando una carga de 10 kgf durante 20 s para un acero suave [36] Este
procedimiento se realizoacute 5 veces por muestra para obtener un promedio de dureza
262 Rugosidad
Se utilizoacute un rugosiacutemetro marca Mitutoyo modelo Surftest-402 Las muestras se colocaron
en una superficie plana y sobre ella se situoacute el palpador con punta coacutenica tal como lo muestra la
Figura 27 posteriormente se calibroacute dicha punta y entonces el equipo realizoacute un pequentildeo recorrido
sobre la superficie con el que determinoacute la rugosidad de cada muestra en microm
41
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido
Para esta caracterizacioacuten de las placas se utilizoacute el Microscopio Electroacutenico de Barrido de
alto-bajo vaciacuteo Jeol JSM 6610LV con un voltaje de 20 kV y una distancia de trabajo de 10 mm
Las placas se colocaron en un portamuestras (Figura 28) y se analizaron a alto vaciacuteo Las imaacutegenes
se formaron con una sentildeal de electrones secundarios a 500 1000 y 5000X
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
Se utilizoacute un Microscopio de Fuerza Atoacutemica marca Asylum Research modelo Cypher que cuenta
con una punta de silicio que tiene una constante de 2 Nm (conforme se va desgastando va
disminuyendo su valor)
Para las muestras sin influencia de campo magneacutetico se utilizoacute el modo contacto es decir
la fuerza entre la punta y la muestra son constantes En el caso de las muestras con influencia de
campo magneacutetico que mostraron una superficie menos rugosa y maacutes faacutecil de medir
topograacuteficamente se usoacute el modo no contacto por lo que la punta no tocaba la muestra sino que
42
oscilaba a una distancia de entre 1 y 10 nm Todas las imaacutegenes se obtuvieron en un aacuterea de 10 x
10 microm a una velocidad de barrido de 10 Hz escaneando 512 liacuteneas generadas por 512 puntos en
zonas especiacuteficas
265 Difraccioacuten de rayos X
Para esta caracterizacioacuten se utilizoacute un difractoacutemetro de rayos X marca Siemens modelo D5000
Las condiciones de operacioacuten fueron las siguientes velocidad de barrido de 05 s incrementos de
0035cps 35 kV y 25 mA El intervalo de aacutengulo seleccionado fue 2θ = 30 a 120deg que es el
rango donde aparecen la mayoriacutea de los picos caracteriacutesticos del niacutequel [37]
43
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten
Para una mejor comprensioacuten de los resultados eacutestos se presentan de manera comparativa en
funcioacuten del tiempo de electrodeposicioacuten con y sin campo magneacutetico analizando dichos
recubrimientos con las teacutecnicas electroquiacutemicas planteadas en el capiacutetulo de metodologiacutea
experimental tambieacuten se realizaron anaacutelisis del comportamiento de las propiedades fiacutesicas tales
como dureza rugosidad y espesor para determinar la influencia del campo magneacutetico durante la
electrodeposicioacuten de niacutequel
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos
La Figura 31b muestra las reacciones que se llevaron a cabo en el proceso de electrodeposicioacuten
Como ya se sabe en el aacutenodo se lleva a cabo la oxidacioacuten del niacutequel y en el caacutetodo la reduccioacuten
del mismo Sin embargo en el caacutetodo tambieacuten se lleva a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten del
hidroacutegeno ya que el medio usado para la electrodeposicioacuten es aacutecido (pH = 3) por ello la eficiencia
en el caacutetodo no es del 100
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni
311 Caacutelculo de masa depositada
Para conocer la masa de Ni depositada en el acero 1018 se realizaron mediciones de peso antes y
despueacutes de que las placas fueran sometidas al proceso de electrodeposicioacuten Sin embargo como el
aacuterea de electrodepoacutesito no es la misma en todas las placas se compara la masa depositada por
centiacutemetro cuadrado tal como lo muestra la Tabla 31
44
En la tabla 31 se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten de
niacutequel la masa por unidad de aacuterea aumenta Esto se cumple para ambas temperaturas (30degC y 60degC)
y ambas condiciones (sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico) sin embargo se demostraraacute
maacutes adelante que el aumento de masa no es garantiacutea de una reduccioacuten de la velocidad de corrosioacuten
(Grafico 31) Es importante sentildealar que tanto a 30degC como a 60degC la masa de niacutequel disminuye
cuando se utiliza el campo mageacutentico sin embargo a 30degC esto no se cumple debido a que hay un
aumento de masa
312 Eficiencia en corriente
Es importante mencionar que en todos los electrodepoacutesitos la corriente final era menor que la
inicial Dicha caiacuteda de corriente se debioacute a la formacioacuten de una capa de oacutexido en el aacutenodo Figura
32 lo que ocasionoacute una disminucioacuten en la entrega de cationes (Ni2+) a la solucioacuten
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido
La eficiencia en corriente se evaluoacute con la foacutermula del Anexo 1-A y se tomoacute el valor de la
corriente inicial para dicho caacutelculo Los resultados se muestran en la Tabla 32 Mientras que
Ferreira y Colnago [12] reportaron obtener eficiencias del doble para sus peliacuteculas de cobre en
45
este caso se puede notar que la presencia del campo magneacutetico provoca una disminucioacuten en el
rendimiento del sistema
La fuente de poder se debe regular para poder otorgar los 4 V que el proceso de
electrodeposicioacuten requiere y desde el momento en que se enciende el aparato empieza a mandar
corriente Por ello ciertas eficiencias sobrepasan el 100 pues el tiempo de ajuste se excedioacute maacutes
de 50 segundos
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
En la Figura 33 se observan los resultados de la resistencia a la polarizacioacuten en funcioacuten de la
temperatura y del tiempo de exposicioacuten A 60degC se observa que el campo magneacutetico provoca una
disminucioacuten de la resistencia a la polarizacioacuten para los diferentes tiempos de electrodepoacutesito
realizados lo cual se traduce en un aumento de la velocidad de corrosioacuten de acuerdo con la
ecuacioacuten de Stern y Geary (Ec 14) Este efecto de disminucioacuten de la Rp tambieacuten se observa en
los datos a 30degC con excepcioacuten del tiempo 7 minutos
46
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal
En la Tabla 33 se presentan las variaciones de icorr y Vcorr sin campo magneacutetico y en
presencia de campo magneacutetico a 30deg y 60deg en funcioacuten del tiempo de electrodepoacutesito
En la Graacutefica 31 se puede observar que a 60degC con mayor tiempo de electrodeposicioacuten de
Ni disminuye la Vcorr Sin embargo se puede notar que con la presencia del campo las velocidades
de corrosioacuten son mayores pero respetando la tendencia antes mencionada
60degC17min CM
60degC17min SC
60degC12min CM
60degC12min SC
60degC7min CM
60degC7min SC
30degC17min CM
30degC17min SC
30degC12min CM
30degC12min SC
30degC7min CM
30degC7min SC
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Rp (Ohm cm2)
47
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de electrodeposicioacuten
La tabla 34 muestra los valores de Ecorr para ambas temperaturas (30degC y 60degC) y en las
dos condiciones ensayadas (sin campo y con campo) Sin campo magneacutetico y con excepcioacuten de
30degC y 17 min se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten el Ecorr se
desplaza hacia valores menos negativos al mismo tiempo que la Vcorr disminuye (Tabla 33) De
acuerdo con la Teoriacutea de Potencial Mixto explicada por Evans el sistema se encuentra bajo un
control tipo anoacutedico es decir que la reaccioacuten de oxidacioacuten de niacutequel se desplaza para dar un Ecorr
menos negativo al mismo tiempo que reduce la Vcorr
1198731198942+ + 2119890minus harr 119873119894deg
Sin embargo a 30degC y 17 min el sistema se encuentra bajo control catoacutedico debido a que
persiste la disminucioacuten de Vcorr ahora con un cambio en el potencial hacia valores maacutes negativos
Al comparar los valores de Ecorr sin campo magneacutetico con los de campo magneacutetico se observa que
para la temperatura 60degC los valores de Ecorr se desplazan hacia valores maacutes electronegativos
Como se discutioacute anteriormente esto se debe a un control cineacutetico tipo anoacutedico Cuando se
considera la temperatura de 30degC se observa un desplazamiento hacia valores menos negativos es
7min 12min 17min
000
002
004
006
008
010
Vco
rr (
mm
an
o)
Tiempo de electrodeposicion
60degC Sin campo
60degC Con campo
30degC Sin campo
30degC Con campo
48
decir la cineacutetica estaacute controlada por la reaccioacuten catoacutedica Diversos trabajos reportan este mismo
efecto en donde el campo magneacutetico tiene un efecto sobre la reaccioacuten de reduccioacuten de oxiacutegeno
1198742 + 21198672119874 + 4119890minus harr 4119874119867minus
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica
Como se mencionoacute previamente en el apartado 167 referente a la teacutecnica de impedancia
mediante esta teacutecnica es posible evidenciar y cuantificar el efecto que tiene la capacitancia de una
interface electroquiacutemica y asiacute proporcionar informacioacuten complementaria al estudio de corrosioacuten
Las graacuteficas 32 33 y 34 correspondientes a los diagramas de Nyquist obtenidos en los
tres diferentes tiempos de electrodeposicioacuten a 60degC con y sin influencia de campo magneacutetico
Revelan en los tres casos que el campo magneacutetico disminuye la resistencia a la transferencia de
carga (Rtc) es decir el proceso de corrosioacuten se ve favorecido tal como se pudo mostrar en los
resultados de resistencia a la polarizacioacuten De igual manera se observa una disminucioacuten en la
resistencia del electrolito (Rs) esto debido a la fuerza convectiva (visible) que ejerce el campo
magneacutetico en el electrolito el cual provoca una mejor difusioacuten de los iones dicha informacioacuten es
consistente a lo reportado por Calivar e Ispas [67]
49
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
500
1000
1500
2000 50 mHz
60degC 7min SC
60degC 7min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
1000
2000
3000
50 mHz
60degC 12min SC
60degC 12min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
50 kHz
50 mHz
Re(Z) (Ohm cm2)
50
Graacutefica 34 EIE de 60degC 17min
34 Dureza Rugosidad y Espesor
La Tabla 35 muestra que la aplicacioacuten de un campo magneacutetico durante el proceso de
electrodeposicioacuten de niacutequel provoca que la dureza disminuya lo que significa que el recubrimiento
es menos susceptible a fracturarse este resultado es similar a lo reportado por Zielinski [11] y la
disminucioacuten de fracturas en sus peliacuteculas de Co-W ante la presencia de un campo magneacutetico
Tambieacuten es importante sentildealar que la rugosidad de cada niquelado presentoacute un
empobrecimiento lo que significa que el campo magneacutetico ayuda a obtener recubrimientos maacutes
uniformes
0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000
0
3000
6000
9000
12000
15000
18000 50 mHz
60degC 17min SC
60degC 17min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
51
Los espesores fueron calculados mediante la foacutermula que aparece en el Anexo 1-B y se
puede notar que eacuteste decrece ante la presencia del campo magneacutetico Esto se puede constatar de
igual forma a partir de los datos de impedancia los cuales permitieron calcular los valores de
capacitancia a partir de la ecuacioacuten de Brug (Ec 19) cuyos resultados se muestran en la Tabla
36
Como se puede observar los valores de capacitancia con el campo magneacutetico son mayores
en un orden de magnitud que aquellos donde no existe el campo permitiendo confirmar que el
espesor maacutes delgado se encuentra con la influencia del campo
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
A continuacioacuten se muestran las imaacutegenes topograacuteficas obtenidas en el MFA Con lo cual se puede
corroborar que ocurre una disminucioacuten en la rugosidad de las peliacuteculas de niacutequel con presencia de
campo magneacutetico
52
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC-7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC-12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC-17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
36 Difraccioacuten de Rayos X
Los patrones de difraccioacuten de los recubrimientos de Ni en acero 1018 Figura 37 se caracterizan
por la presencia de los planos de la estructura cuacutebica centrada en las caras de acuerdo al PDF 03-
065-4899 [32] Esta fase cristalina estuvo presente en todos los recubrimientos
De acuerdo con lo reportado por Hu [33] la energiacutea de activacioacuten para la evolucioacuten de
hidroacutegeno es mayor en el plano (111) que en el plano (200) del Ni Dicho de otra manera en el
53
plano (200) habraacute maacutes produccioacuten de hidroacutegeno gaseoso durante el proceso de electrodeposicioacuten
de niacutequel lo que trae consigo posiblemente recubrimientos porosos
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia de campo
magneacutetico
Para los depoacutesitos en presencia de campo magneacutetico a 7 y 12min se observa una orientacioacuten
preferencial en el plano (200) sin embargo el pico a 7min es mucho mayor que el de 12
comparando estos resultados con las pruebas electroquiacutemicas y de acuerdo a los reportado por Hu
[33] esto nos lleva a suponer que en este caso el recubrimiento es maacutes poroso y delgado de acuerdo
a las medidas de espesor (Tabla 35) Para el caso de 17min con campo magneacutetico se tiene una
orientacioacuten preferencial en el plano (111) esta muestra tiene un mejor comportamiento
electroquiacutemico de acuerdo a la Figura 33 ademaacutes de acuerdo a lo reportado por Hu [33] nos lleva
a deducir que este recubrimiento es el menos poroso de los tres con campo magneacutetico Lo anterior
explica por queacute la velocidad de corrosioacuten es mayor a 7min y va disminuyendo conforme aumenta
el tiempo de electrodeposicioacuten Y tambieacuten revela la causa por la que el potencial de corrosioacuten es
maacutes negativo en presencia del campo magneacutetico La porosidad tambieacuten nos explica la razoacuten por la
cual la dureza de los recubrimientos hechos en presencia del campo magneacutetico disminuye con
respecto a aquellos realizados en ausencia del mismo
40 45 50 55 600
4000
8000
12000
16000
20000
17min SC
17min CM
12 min CM
12 min SC
7min CM
Inte
nsid
ad
(U
A)
2 (grados)
60degC-7min SC
60degC-12min SC
60degC-17min SC
60degC-7min CM
60degC-12min CM
60degC-17min CM
Ni
7min SC
(111) (200)
54
La existencia de los poros en el recubrimiento propicia un par galvaacutenico Figura 38 entre
el niquelado electroliacutetico y el acero 1018 ya que este uacuteltimo es maacutes electronegativo por
consiguiente maacutes propenso a la corrosioacuten Tambieacuten estaacute el efecto de las diferencias de aacutereas entre
aacutenodo (acero) y caacutetodo (niquelado) siendo en este caso el caacutetodo quien posee mayor aacuterea de
exposicioacuten al ambiente es el aacutenodo quien se corroeraacute maacutes faacutecil y raacutepidamente
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni
37 Microscopia Electroacutenica de Barrido
Las Figuras 39 310 y 311 muestran las imaacutegenes obtenidas en el MEB de los recubrimientos de
Ni a 60degC 7min 12min y 17min respectivamente Se aprecia una morfologiacutea maacutes uniforme con la
presencia de campo magneacutetico y las aglomeraciones de partiacuteculas metaacutelicas son mucho maacutes
grandes que sus homoacutelogos sin influencia del campo
55
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y sin influencia
de campo magneacutetico
56
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min con y sin
influencia de campo magneacutetico
57
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min con y sin
influencia de campo magneacutetico
58
Conclusiones
A partir de los resultados experimentales obtenidos en el presente trabajo se puede concluir lo
siguiente
La eficiencia de electrodepositacioacuten es funcioacuten de la pureza del aacutenodo y de la corriente
aprovechada por la reaccioacuten de reduccioacuten de hidroacutegeno
El aumento en el tiempo de electrodepositacioacuten conduce a un aumento en la masa de niacutequel
electrodepositada esto es vaacutelido para la condicioacuten sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico
sin embargo esto no garantiza la disminucioacuten de Vcorr
Sin campo magneacutetico los resultados obtenidos a 30degC y 60degC muestran que la Vcorr
disminuye conforme el tiempo de electrodepoacutesito de niacutequel aumenta Tambieacuten en ausencia del
campo las Vcorr obtenidas a 30degC son menores comparadas con las Vcorr a 60degC a excepcioacuten de
17 min
Sin campo magneacutetico se observa que la degradacioacuten del niquelado estaacute controlada por una
cineacutetica anoacutedica lo cual es vaacutelido para 30degC y para 60degC con excepcioacuten de 30degC y 17 min donde
la cineacutetica que controla es catoacutedica Asimismo a 30degC con campo magneacutetico se observa que la
cineacutetica que controla el sistema es la catoacutedica lo cual sugiere que la reaccioacuten de reduccioacuten de
oxiacutegeno ser manipulada por el campo magneacutetico
En presencia del campo magneacutetico se encontroacute que la resistencia de la solucioacuten disminuyoacute
tanto a 30degC como a 60degC debido a una fuerza adicional convectiva que provoca el campo
magneacutetico
La Vcorr es dependiente de la cantidad de masa depositada pero tambieacuten del ordenamiento
cristalino que los aacutetomos de niacutequel adquieren al momento del electrodepoacutesito
En presencia del campo magneacutetico las micrografiacuteas MEB revelan superficies con menos
rugosidad respecto a las muestras sin campo magneacutetico
A 60degC hay poca o nula contribucioacuten del campo magneacutetico mientras que a 30degC si hay una
contribucioacuten del campo pero es negativa respecto a la Vcorr
59
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Anexo 1 Caacutelculos
1-A Caacutelculo de eficiencia
En la praacutectica la corriente suministrada a un sistema no es aprovechada al 100 pues hay
peacuterdidas de corriente por diversos motivos entre otros
a) Desviacioacuten de corriente por caminos secundarios
b) Impurezas de las soluciones (las cuales dan reacciones secundarias)
c) Resistencia eleacutectrica propia del bantildeo electroliacutetico
d) Peacuterdidas por transformacioacuten de energiacutea eleacutectrica a energiacutea caloriacutefica
e) Fenoacutemenos de polarizacioacuten
Entonces se puede decir que
Eficiencia en corriente = 119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119905119890oacute119903119894119888119886
119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119904119906119898119894119899119894119904119905119903119886119889119886 119903119890119886119897x100
1-B Caacutelculo de Espesor
El meacutetodo maacutes satisfactorio para medir el espesor promedio de una capa es disolverla y determinar
el peso de la misma a partir de una muestra cuya aacuterea se conozca en el caso de este estudio se
pesaron las placas antes y despueacutes del electrodepoacutesito para determinar la masa depositada El
espesor se calcula asiacute a partir del peso y del aacuterea y de la densidad o peso especiacutefico del depoacutesito
utilizando la foacutermula
T (espesor) = 119862119882 (119901119890119904119900)
119860(aacute119903119890119886)times119863(119901119890119904119900 119890119904119901119890119888iacute119891119894119888119900)
En donde C es una constante que depende simplemente de las unidades utilizadas En
unidades meacutetricas la ecuacioacuten se transforma en
T(mm) = 10119882(119892119903)
119860(1198881198982)times119863
63
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 7min
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 12min
-0000006 -0000003 0000000 0000003
-040
-038
-036
-034
-032
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
-0000004 -0000002 0000000 0000002
-035
-034
-033
-032
-031
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
64
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 17min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 7min
-00000006 -00000003 00000000 00000003 00000006
-026
-024
-022
-020
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
-00000027 -00000018 -00000009 00000000 00000009 00000018
-028
-024
-020
-016
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
65
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 12min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 17min
-0000004 -0000002 0000000 0000002 0000004
-038
-036
-034
-032
-030
-028
-026
-024
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
-0000006 -0000003 0000000 0000003 0000006 0000009
-032
-031
-030
-029
-028
-027
-026
-025
-024
-023
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
3
Objetivo General
Evaluar el efecto de un campo magneacutetico sobre las propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero bajo carbono especiacuteficamente en un acero AISI 1018
Objetivos Especiacuteficos
1- Elaborar electrodepoacutesitos de niacutequel en acero 1018 con y sin presencia de campo magneacutetico
2- Evaluar los electrodepoacutesitos mediante corriente directa y alterna
3- Analizar los electrodepoacutesitos por medio de pruebas fiacutesicas y quiacutemicas
4- Determinar el efecto de un campo magneacutetico en un electrodepoacutesito de niacutequel
4
Hipoacutetesis
El campo magneacutetico provoca una orientacioacuten en los iones yo moleacuteculas del electrolito destinado
a la electrodeposicioacuten con ello se modifican ciertas propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero 1018
5
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico
11 Antecedentes
El efecto de un campo magneacutetico sobre la orientacioacuten de las moleacuteculas durante un proceso de
formacioacuten de un producto ha sido muy poco estudiado En la industria se encuentran algunos casos
sin que haya reportes formales A continuacioacuten se discutiraacuten algunos de ellos
El ldquoFuel Energy Saverrdquo (Figura 11) es un producto de la compantildeiacutea mexicana ldquoEnergy
Saverrdquo se trata de un inductor de resonancia magneacutetica de alta potencia que genera frecuencias
especiacuteficas la cual fractura las cadenas de hidrocarburos alineando y haciendo todas las moleacuteculas
maacutes accesibles al oxiacutegeno lo que se traduce en una mejor combustioacuten con el consiguiente ahorro
de combustible y reduccioacuten de contaminacioacuten [8] Es aplicable para cualquier tipo de combustible
(gas natural gas LP dieacutesel combustoacuteleo gasoacuteleo) y puede ser usado en todo equipo de iacutendole
industrial (hornos calderas calentadores secadores estufas)
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver
Algunas empresas del ramo automotriz (por ejemplo Mercedes Benz) estaacuten empleando el
principio del FES para que por medio un campo magneacutetico se orienten las moleacuteculas del
combustible y de oxiacutegeno antes de que eacutestas sean consumidas La explicacioacuten a este fenoacutemeno fue
dada por Kita amp Kulish [9] que consiste en lo siguiente el combustible se consumiraacute a medida que
haya oxiacutegeno disponible Si en lugar de que el oxiacutegeno se alimente de manera ldquodesordenadardquo eacuteste
pudiera ser orientado antes de entrar a la caacutemara de combustioacuten se lograriacutea un mejor consumo de
combustible-oxiacutegeno lo cual se traduce en mayor potencia en el motor y un mejor
aprovechamiento del combustible es decir habriacutea menor cantidad de contaminantes (NOx y CO2)
en el escape
6
Otro ejemplo del uso de campos magneacuteticos se puede encontrar en la formacioacuten de
calcaacutereos en intercambiadores de calor La industria que sufre de formacioacuten de dichos productos
tambieacuten ha encontrado beneficios con el uso de un campo magneacutetico colocado en el depoacutesito de
agua y se observa que los productos calcaacutereos se desvanecen tal como se aprecia en la Figura 12
La explicacioacuten a este efecto se atribuye nuevamente a la reorientacioacuten de las moleacuteculas dando como
consecuencia una estructura amorfa en lugar de una cristalina caracteriacutestica de los calcaacutereos [10]
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes (izq)
Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico aplicado
Por el lado de las investigaciones cientiacuteficas se tiene el anaacutelisis del efecto de un campo
magneacutetico de 12 T en la electrodeposicioacuten y estructura de las aleaciones cobalto-tungsteno con
ello Zielinski [11] pudo establecer que la aplicacioacuten del campo magneacutetico cambioacute la composicioacuten
quiacutemica y la morfologiacutea de las aleaciones Co-W
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas (izq) Con
campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
7
De la misma manera Ferreira y Colnago [12] estudiaron la influencia del campo magneacutetico
de una resonancia magneacutetica nuclear (RMN) durante la reaccioacuten electroliacutetica del cobre Sus
resultados fueron exitosos pues la reaccioacuten en presencia de un campo magneacutetico de 023 T tuvo
un rendimiento del doble que la de la reaccioacuten en ausencia de dicho campo
Finalmente pero no menos importantes Calivar [13] con su creacioacuten de modelos de
conveccioacuten magneacutetica en electrodeposicioacuten de peliacuteculas delgadas de cobre y tambieacuten Ispas [14]
con su estudio del efecto de un campo magneacutetico de 05 T en la electrodeposicioacuten de la aleacioacuten
Ni-Fe Ambos llegaron a la misma conclusioacuten un campo magneacutetico provoca una conveccioacuten en el
fluido el cual provoca una contribucioacuten adicional de masa-transporte
12 Generalidades
121 El campo magneacutetico
Se trata de un campo que ejerce fuerzas (denominadas magneacuteticas) sobre los materiales Es una
magnitud vectorial pero no produce ninguacuten efecto sobre cargas en reposo (como siacute lo hace el
campo eleacutectrico doacutende las acelera a traveacutes de la fuerza eleacutectrica) Sin embargo el campo magneacutetico
siacute tiene influencia sobre cargas eleacutectricas en movimiento [15]
Por ejemplo en el estado soacutelido si una carga en movimiento atraviesa un campo magneacutetico
la misma sufre la accioacuten de una fuerza magneacutetica que no modifica la velocidad pero siacute la
trayectoria Cabe mencionar que en el estado liacutequido o en el estado gaseoso el efecto del campo
magneacutetico no estaacute bien definido
Figura 14 El campo magneacutetico
8
La unidad de campo magneacutetico en el Sistema Internacional es el tesla (T) Un tesla se define
como el campo magneacutetico que ejerce una fuerza de 1 N (newton) sobre una carga de 1 C (coulomb)
que se mueve a velocidad de 1 ms dentro del campo
122 Definicioacuten de corrosioacuten
Se denomina corrosioacuten al ataque destructivo de un material generalmente metaacutelico por reaccioacuten
quiacutemica o electroquiacutemica con su medio ambiente (atmoacutesfera suelo agua etc)
La reaccioacuten baacutesica de corrosioacuten es
M Mn+ + ne-
De acuerdo con ello tambieacuten es posible definir la corrosioacuten desde un punto de vista maacutes
electroquiacutemico como el traacutensito de un metal de su forma elemental a su forma ioacutenica o combinada
con una respectiva cesioacuten de electrones [16] Dicho de otra manera el metal a traveacutes de la
corrosioacuten retorna a su forma combinada formando oacutexidos sulfuros hidroacutexidos etc Pues asiacute es
como los metales se encuentran habitualmente en la naturaleza por tratarse de formas
termodinaacutemicamente maacutes estables
El proceso de corrosioacuten es natural y espontaacuteneo y cuanto mayor es la energiacutea gastada en la
obtencioacuten del metal a partir del mineral tanto maacutes es la tendencia del metal a regresar a su forma
basal es decir mucho maacutes favorecida termodinaacutemicamente estaacute la reaccioacuten de oxidacioacuten
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten
Tradicionalmente se establecen dos procesos baacutesicos de ataques corrosivos atendiendo al medio
en el que se producen
Corrosioacuten seca
Corrosioacuten huacutemeda
1231 Corrosioacuten seca
Tiene lugar cuando el material se encuentra sometido a la accioacuten de gases principalmente a
temperaturas elevadas por lo que no se tiene un electrolito condensado Este tipo de corrosioacuten es
la que se produce en calderas sobrecalentadores reactores etc en la parte que estaacute en contacto
con los productos de combustioacuten
9
En la corrosioacuten seca los oacutexidos que se forman son de caraacutecter ioacutenico (cationes metaacutelicos y
aniones de oacutexido regularmente distribuidos) La estructura cristalina formada presenta
normalmente defectos reticulares (deficiencias ioacutenicas) a traveacutes de los cuales se produce la
difusioacuten de iones
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca
1232 Corrosioacuten huacutemeda
Tiene lugar cuando el material se encuentra en medios acuosos (Figura 16) Se produce
normalmente a temperatura ambiente o no muy elevada Es la maacutes extendida por cuanto afecta a
un sinfiacuten de elementos en los que el material es usado en tanques tuberiacuteas intercambiadores
precalentadores carcasas estructuras buques etc
Todos los procesos de corrosioacuten involucran transferencia de carga (iones y electrones) en
particular en el caso de corrosioacuten huacutemeda eacutesta se da a traveacutes de soluciones acuosas (electrolitos)
las cuales son eleacutectricamente conductoras En general el proceso requiere de tres etapas
1) Oxidacioacuten Los aacutetomos metaacutelicos aumentan su valencia al ceder electrones convirtieacutendose
en iones positivos los cuales pasan al electrolito
2) Transporte de carga Los electrones son transferidos al caacutetodo
3) Reduccioacuten Reaccioacuten donde se consumen los electrones generados en la oxidacioacuten
Este tipo de corrosioacuten es netamente electroquiacutemico ya que es un proceso en el que se llevan
a cabo reacciones de oxidacioacuten y de reduccioacuten de ahiacute que se conozca coacutemo proceso REDOX Cabe
mencionar que se puede favorecer una reaccioacuten u otra en caso de inclinarse por la oxidacioacuten
10
entonces se da la corrosioacuten y si es la reduccioacuten se puede proteger al metal por ejemplo con
electrodepoacutesitos
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda
124 Tipos de ataque por corrosioacuten
Es importante sentildealar que la corrosioacuten huacutemeda presenta dos tipos de ataque corrosioacuten uniforme y
corrosioacuten localizada
a) Corrosioacuten uniforme homogeacutenea o generalizada El ataque se extiende de forma
homogeacutenea sobre toda la superficie metaacutelica y por tanto la peacuterdida de material es
aproximadamente la misma en todos los puntos A este tipo de ataque se le identifica por
crecimiento 2D debido a que se desarrolla preferentemente a lo largo de la superficie Por
consiguiente es relativamente faacutecil estimar la vida uacutetil de los materiales metaacutelicos que lo
sufren
b) Corrosioacuten localizada El ataque no se distribuye de forma homogeacutenea localizaacutendose por
el contrario en determinadas zonas de la superficie metaacutelica A este tipo de ataque se le
conoce por crecimiento 3D debido a que se desarrolla de manera local dando preferencia a
la profundidad maacutes que a la superficie Dentro de este tipo de corrosioacuten existe a su vez
otra clasificacioacuten que se menciona a continuacioacuten
11
a Corrosioacuten por picadura
b Corrosioacuten por hendidura
c Corrosioacuten galvaacutenica
d Corrosioacuten intergranular
e Corrosioacuten bajo tensioacuten
f Corrosioacuten cavitacioacuten
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten
125 Celdas electroquiacutemicas
En corrosioacuten una celda es un dispositivo en el cual se producen reacciones quiacutemicas de oxidacioacuten
y reduccioacuten El aparato se integra de las siguientes partes sustancia que contiene iones (electrolito)
dos electrodos (caacutetodo y aacutenodo) y una conexioacuten eleacutectrica entre ambos electrodos
Existen dos tipos de celdas las electroliacuteticas que requieren un voltaje externo (fuente de
poder) y las electroquiacutemicas o galvaacutenicas que solamente necesitan un instrumento para registrar
voltaje Por lo cual se dice que las primeras son no espontaacuteneas y las segundas espontaacuteneas
Termodinaacutemicamente una reaccioacuten espontaacutenea presenta una energiacutea libre de Gibbs negativa y la
no espontaacutenea positiva tal como se aprecia en la Tabla 11
12
1251 Celda galvaacutenica
Una celda galvaacutenica (Figura 18) es aquella en la cual la energiacutea quiacutemica es convertida en energiacutea
eleacutectrica por medio de una reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea Esto se debe a que un metal es maacutes activo
y otro maacutes noble aacutenodo y caacutetodo respectivamente seguacuten la serie galvaacutenica por lo que al ser
conectados eleacutectricamente producen un flujo de electrones desde el caacutetodo al aacutenodo Dicho flujo
genera un potencial eleacutectrico que puede ser medido experimentalmente
Los requisitos para que se produzca un proceso de corrosioacuten en una pila galvaacutenica son los
siguientes
1 Dos superficies con distinto potencial electroacutedico
a Una de ellas que constituye al aacutenodo de la reaccioacuten al ceder electrones sufriraacute la
corrosioacuten Es decir aquiacute se lleva a cabo la reaccioacuten de oxidacioacuten Es el polo
negativo
Mdeg Mne- + ne-
b La otra que constituye el caacutetodo ganaraacute los electrones cedidos por el aacutenodo En
esta zona ocurriraacute la reaccioacuten de reduccioacuten Es el polo positivo
Mne- + ne- Mdeg
13
2 Un electrolito conductor ioacutenico que contiene los elementos caracteriacutesticos del medio
corrosivo Es justo aquiacute en el seno de la solucioacuten donde ocurre el transporte de materia
3 Una conexioacuten eleacutectricamente conductora entre el aacutenodo y el caacutetodo para que sea posible
el transporte de carga
Figura 18 Celda galvaacutenica
1252 Celda electroliacutetica
Las celdas electroliacuteticas no son espontaacuteneas por lo que debe aplicarse externamente un potencial
eleacutectrico para que funcionen Al proveer dicha energiacutea se fuerza a que una corriente eleacutectrica pase
por la celda con el fin de generar reacciones quiacutemicas de oacutexido-reduccioacuten en la superficie de los
electrodos de dicha celda Uno de los procesos maacutes conocidos es el electrodepoacutesito de metales
como cobre niacutequel o zinc Es importante puntualizar que aquiacute el aacutenodo estaraacute cargado
positivamente y el caacutetodo negativamente contrario a lo sucedido en las celdas galvaacutenicas
Las partes que conforman a la celda electroliacutetica son las siguientes
1 Electrolito Al igual que en las celdas galvaacutenicas se necesita de un conductor ioacutenico
2 Aacutenodo En este tipo de celdas el aacutenodo posee el polo positivo y aquiacute se lleva a cabo la
oxidacioacuten de la especie electroquiacutemica
3 Caacutetodo Eacuteste es el polo negativo y en eacutel se produce la reduccioacuten de la especie
electroquiacutemica
14
4 Fuente de energiacutea Es quien aplica la energiacutea necesaria para poder invertir el sentido
natural de la corriente dando lugar a una reaccioacuten quiacutemica opuesta a la que se produce
espontaacuteneamente en la pila
Figura 19 Celda electroliacutetica
13 Principios Electroquiacutemicos
131 Electrolitos
Todos los solutos que se disuelven en agua se agrupan en dos categoriacuteas electrolitos y no
electrolitos Un electrolito es una sustancia que cuando se disuelve en agua forma una disolucioacuten
capaz de conducir la electricidad Un no electrolito por lo tanto no conduce la corriente eleacutectrica
cuando se disuelve en agua
1311 Tipos de electrolitos
Los electrolitos se clasifican en fuertes y deacutebiles Los primeros son sustancias que estaacuten casi
completamente disociadas en la solucioacuten e incluyen soacutelidos ioacutenicos y aacutecidos fuertes Los uacuteltimos
poseen enlaces tan fuertes que muy difiacutecilmente se ionizan en solucioacuten permaneciendo la mayor
parte en forma de moleacuteculas las cuales no tienen la capacidad de transportar carga eleacutectrica como
lo hacen los iones Es importante mencionar que los electrolitos por buenos conductores de la
electricidad que puedan ser siempre tendraacuten menor capacidad para conducir la electricidad que los
materiales soacutelidos [17]
15
132 Ley de Ohm
Una de las maacutes importantes caracteriacutesticas eleacutectricas de un material soacutelido es la facilidad con que
transmite una corriente eleacutectrica La ley de Ohm relaciona la corriente (I) o sea el paso de carga
por unidad de tiempo con el voltaje aplicado (V) de la manera siguiente
V = IR
Donde R es la resistencia del material a traveacutes del cual pasa la corriente Las unidades de
V I y R son respectivamente voltios (V) amperios (A) y ohmios (Ω)
133 Leyes de Faraday
En electroquiacutemica es de suma importancia poder determinar la velocidad a la que ocurren las
reacciones de oacutexido-reduccioacuten cuando una corriente atraviesa una interfase soacutelido-electrolito pues
esto trae como consecuencia un transporte de materia resultado de la peacuterdida (oxidacioacuten) o
ganancia (reduccioacuten) de masa en el electrodo de trabajo
Cabe mencionar que las caracteriacutesticas superficiales del electrodo y las interacciones del
electrolito en dicha superficie son las que determinan la velocidad de reaccioacuten de un proceso
electroquiacutemico [18] Sin embargo hay tantos factores que pueden afectar directamente la velocidad
de reaccioacuten que por ello las leyes de Faraday solo son utilizables cuando el proceso controlador es
la transferencia de carga
Con las investigaciones del fiacutesico britaacutenico Michael Faraday (1791-1867) se descubrieron
las relaciones cuantitativas entre la cantidad de electricidad que pasa a traveacutes de una solucioacuten y la
cantidad de materia separada o precipitada en los electrodos Es decir con dichas expresiones es
posible calcular el transporte de materia en la interfase soacutelido-electrolito [16]
Primera Ley La masa de un ion liberado o depositado en un electrodo es proporcional a
la cantidad de electricidad que pase a traveacutes de la solucioacuten
Ec 11
16
m = 119868119905119875119860
119899119865
Donde PA es el peso atoacutemico la I la corriente en Amperes t el tiempo que pasa dicha carga
en segundos n el nuacutemero de equivalentes involucrados y F la constante de Faraday
Segunda Ley Las cantidades de sustancias liberadas o depositadas por una cantidad de
electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes Aplica cuando una misma
cantidad de electricidad atraviesa distintos electrolitos es decir cuando el proceso se lleva a cabo
en serie
1198981
1198901=
1198982
1198902
Donde m1 y m2 son las masas depositadas y e1 y e2 son los equivalentes quiacutemicos El
equivalente quiacutemico es la relacioacuten entre el peso atoacutemico y el nuacutemero de oxidacioacuten del compuesto
en cuestioacuten
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary
La ecuacioacuten de Stern-Geary establece la relacioacuten entre la densidad de corriente de corrosioacuten (icorr)
es decir la velocidad de corrosioacuten con la resistencia a la polarizacioacuten [19]
119894119888119900119903119903 = 119861
119877119875
119861 = 119887119886119887119888
2303 (119887119886 + 119887119888)
Donde ba y bc son las pendientes de Tafel anoacutedica y catoacutedica respectivamente
La constante B en la ecuacioacuten sirve para presentar una relacioacuten existente entre las
pendientes de Tafel Para que la ecuacioacuten de Stern-Geary sea aplicable es imperativo que exista
comportamiento tafeliano en el sistema electroquiacutemico
Ec 12
Ec 13
Ec 14
Ec 15
17
14 Control de la corrosioacuten
Baacutesicamente todos los meacutetodos que existen para lograr controlar la corrosioacuten de los materiales
metaacutelicos son intentos para interferir con el mecanismo de corrosioacuten de tal manera que se pueda
hacer que eacuteste sea lo maacutes ineficiente posible Dado que para que exista un proceso de corrosioacuten
debe formarse una pila o celda de corrosioacuten ademaacutes de una diferencia de potencial entre los
electrodos o zonas anoacutedicas y catoacutedicas la eliminacioacuten de alguno de los componentes esenciales
de la mencionada pila podriacutea llegar a detener el proceso [20]
En la praacutectica existen tres maneras de lograr lo anterior y enseguida se explicaraacute en queacute
consiste cada una Sin embargo es muy importante sentildealar que ninguacuten meacutetodo elimina la
corrosioacuten sino que todos disminuyen la velocidad de la reaccioacuten de oxidacioacuten ya que el metal
siempre buscaraacute la condicioacuten de miacutenima energiacutea que es la formacioacuten de oacutexidos e hidroacutexidos
141 Proteccioacuten catoacutedica
Se debe recordar que toda estructura propensa a corroerse presenta zonas catoacutedicas y anoacutedicas
siendo estas uacuteltimas aquellas aacutereas donde se lleva a cabo la corrosioacuten Pero si todas las aacutereas
anoacutedicas se pudieran convertir en catoacutedicas la estructura completa funcionariacutea como caacutetodo y la
corrosioacuten se disminuiriacutea considerablemente [21] Ese es el mecanismo de accioacuten de la proteccioacuten
catoacutedica y se puede llevar a cabo de dos maneras tal como lo muestra la Figura 110
Por corriente impresa La proteccioacuten se logra aplicando una corriente externa a partir de
un rectificador que suministra corriente continua de bajo voltaje El terminal positivo de la
fuente de corriente se conecta a un aacutenodo auxiliar (grafito por ejemplo) localizado a una
determinada distancia de la estructura a proteger y el terminal negativo se conecta a la
estructura metaacutelica
Por aacutenodos de sacrificio El metal a proteger se conecta a otro metal menos noble seguacuten
la serie galvaacutenica que actuaraacute como aacutenodo en la celda de corrosioacuten En ese caso la
estructura actuaraacute como caacutetodo y quedaraacute protegida por el ldquosacrificiordquo del aacutenodo que se
corroeraacute
18
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de sacrificio de
magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
142 Inhibidores de corrosioacuten
Los inhibidores son sustancias orgaacutenicas o inorgaacutenicas que se agregan a la solucioacuten corrosiva con
el fin de disminuir su poder de ataque y asiacute reducir la velocidad de corrosioacuten Se puede decir que
un inhibidor es un calmante de la corrosioacuten pues como ya se mencionoacute con anterioridad ninguacuten
meacutetodo la elimina en su totalidad
El comportamiento de los inhibidores puede ser muchas veces peligroso ya que en funcioacuten
de la concentracioacuten pueden jugar tanto el papel de inhibidores como de estimuladores de la
corrosioacuten [21]
Los hay de dos tipos aunque a veces se utiliza una combinacioacuten de ambos
1) Inhibidores anoacutedicos Actuacutean formando un compuesto insoluble el cual precipita en los
lugares afectados por la peacuterdida de materia evitando la reaccioacuten anoacutedica y por lo tanto
inhibe la corrosioacuten Ejemplos hidroacutexido soacutedico carbonato silicato y borato de sodio
ciertos fosfatos cromato soacutedico nitrito y benzoato de sodio etc
2) Inhibidores catoacutedicos Actuacutean sobre toda la superficie formando una capa o peliacutecula de
alta resistencia eleacutectrica la cual funciona como una barrera para la corriente de corrosioacuten
Ejemplos sulfato de zinc sulfato de magnesio bicarbonato de calcio etc
143 Recubrimientos protectores
Los recubrimientos representan la primera liacutenea en la lucha contra la corrosioacuten Los recubrimientos
sea cual fuere su tipo no mejoran las caracteriacutesticas mecaacutenicas del elemento sin embargo
preservan su resistencia e integridad Sus objetivos pueden ser variados siendo el principal aislar
la estructura del medio agresivo con el que se encuentra en contacto (agua suelo y atmoacutesfera por
lo general) aunque tambieacuten cumplen en ocasiones fines cosmeacuteticos
19
En general se emplean bajo condiciones muy amplias como puede ser exposicioacuten
atmosfeacuterica inmersioacuten en agua estructuras enterradas elementos sometidos a quiacutemicos etc Los
recubrimientos representan la uacuteltima etapa de los procesos de fabricacioacuten de cualquier pieza
sistema o equipo siendo normalmente aplicados antes del ensamble [21] Existe por lo tanto una
amplia gama de materiales que pueden ser utilizados como recubrimientos de los metales
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos
Orgaacutenicos Los recubrimientos orgaacutenicos son poliacutemeros y resinas producidas en forma
natural o sinteacutetica generalmente formulados para aplicarse como liacutequidos que se secan o
endurecen como peliacuteculas delgadas en materiales del sustrato Por ejemplo las pinturas
Inorgaacutenicos Los recubrimientos inorgaacutenicos proporcionan acabados tersos y maacutes
duraderos los maacutes usados son el vidrio y los ceraacutemicos
Metaacutelicos Los recubrimientos metaacutelicos se aplican mediante capas finas que funcionen
como aacutenodos sacrificables que puedan ser corroiacutedos en lugar del metal subyacente Por
ejemplo Niquelado cromado galvanizado electroliacutetico inmersioacuten en caliente etc
15 Galvanoplastia
La galvanoplastia es una teacutecnica que proporciona un recubrimiento metaacutelico a una estructura que
deseamos proteger El elemento adherido modifica las propiedades superficiales del material sobre
el cual se depositan promoviendo caracteriacutesticas que son imposibles de obtener en el metal base
Es un meacutetodo que se fundamenta en la electroacutelisis para asiacute cubrir un metal base con un fina
capa de otro metal ya sea cobre niacutequel cromo oro plata con el fin de embellecerlo o impartirle
resistencia a la corrosioacuten
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten
La electrodeposicioacuten puede ser de un solo metal de capas de diferentes metales o de una aleacioacuten
(por ejemplo latoacuten) Los metales maacutes utilizados para electrodepoacutesito son en orden de importancia
zinc niacutequel estantildeo y cadmio [22] Tambieacuten es usual recubrir con oro plata y platino En el caso
de aleaciones es comuacuten la aplicacioacuten de Babbitts (aleaciones Pb-Sn) Es conveniente mencionar
que la mayoriacutea de los metales se pueden depositar por eacuteste procedimiento
20
En teacuterminos simples este proceso consiste en la inmersioacuten de la parte a recubrir en un
electrolito que contenga iones del metal a depositar para asiacute proceder al paso de una corriente
directa que permita el depoacutesito en la pieza (caacutetodo) donde los iones son repuestos por la accioacuten de
la propia corriente sobre el aacutenodo
Pero iquestcoacutemo sucede realmente el fenoacutemeno de la electrodeposicioacuten A continuacioacuten se
daraacute una explicacioacuten maacutes detallada sin embargo solo las reacciones en el caacutetodo seraacuten presentadas
ya que en general las reacciones en un aacutenodo soluble seraacuten las inversas de aquellas presentes en
el caacutetodo
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre
Suponga una solucioacuten de una sal metaacutelica tal como el sulfato de cobre (Figura 111) la sal
se disocia considerablemente formando cationes cargados positivamente y aniones cargados
negativamente como ya se ha mencionado anteriormente El agua presente se disocia un poco para
formar iones hidroacutegeno e hidroxilo Todo aacutecido sulfuacuterico presente se disocia tambieacuten en iones
hidroacutegeno y en iones ya sea HSO4- o ya sea SO4
-2 La mayor parte de estos iones estaacuten hidratados
o sea que se encuentran combinados con una o maacutes moleacuteculas de agua
Cuando se aplica un potencial a dos electrodos en una solucioacuten asiacute los cationes cargados
positivamente emigran hacia el caacutetodo y los aniones negativos se mueven hacia el aacutenodo En una
solucioacuten acidificada la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es relativamente alta y la de los iones
hidroxilo es muy baja En virtud de que los iones hidroacutegeno se mueven maacutes raacutepidamente que los
iones cobre la mayor parte de la corriente es llevada hacia el caacutetodo por los iones hidroacutegeno Sin
embargo es maacutes faacutecil descargar los iones cobre asiacute que praacutecticamente toda la corriente que se usa
en el caacutetodo es para depositar cobre
21
Es difiacutecil representar el proceso implicado en el depoacutesito real de un metal sobre el sustrato
El caacutetodo se encuentra cargado negativamente o sea tiene una concentracioacuten de electrones
relativamente alta los cuales siempre aprovechan la oportunidad de combinarse con iones cargados
positivamente para asiacute formar los aacutetomos metaacutelicos
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel
El niacutequel (Ni) es un elemento quiacutemico de nuacutemero atoacutemico 28 situado en el grupo 10 de la tabla
perioacutedica de los elementos Es un metal blanco plateado duro maleable y duacutectil que puede
presentar un intenso brillo
Como elemento aleante proporciona resistencia tenacidad y proteccioacuten contra la corrosioacuten
El uso principal del niacutequel como metal es en la electrodeposicioacuten de piezas ya que funge como
protector corrosivo y de desgaste ante otros materiales que suelen ser maacutes susceptibles
ambientalmente tal como el hierro o el acero ademaacutes de embellecer la superficie El niacutequel es un
metal muy poco activo y bajo casi todas las condiciones tiende a resistir manchas y oxidacioacuten [23]
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel
Normalmente los galvanizados de niacutequel se hacen a partir de soluciones aacutecidas variando en un
rango de pH de 15 a 60 Una excepcioacuten es el uso de un bantildeo alcalino amoniacal de niacutequel con un
pH cerca de 9 [22]
A pesar de las muchas foacutermulas de bantildeos de niacutequel casi todas ellas contienen tres componentes
esenciales
Sulfato de niacutequel Constituye la principal fuente de iones niacutequel ademaacutes de controlar los
liacutemites admisibles de densidad de corriente
Cloruro de niacutequel Suministra los iones cloruros necesarios para asegurar la corrosioacuten de
los aacutenodos de niacutequel Tambieacuten es una fuente secundaria de iones niacutequel
Aacutecido boacuterico Actuacutea como agente tampoacuten y para conservar la adhesioacuten del depoacutesito de
niacutequel
A continuacioacuten se enlistan las teacutecnicas principales que se utilizan en los depoacutesitos de niacutequel
[22] Cabe mencionar que las concentraciones exactas y las condiciones de operacioacuten pueden
modificarse pero los valores que se dan pueden servir de guiacutea
22
1 Niacutequel a bantildeo friacuteo diluido
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 09 120 16
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Fluoruro de amonio NH4F 057 65 87
2 Bantildeo caliente Tipo Watts
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 04 45 6
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
pH para operacioacuten a un alto pH 45-55 a un bajo pH 15-30
Temperatura 43deg C (110 degF)
Densidad de corriente 2-7 ampdm2 (20-65 ampft2)
3 Bantildeo de alto sulfato
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 05 70 9
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Sulfato de sodio Na2SO4 10 160 22
Aacutecido boacuterico H3BO3 025 M 15 2
pH 55
Temperatura 20-30 degC (68-86 degF)
Densidad de corriente 15-30 ampdm2 (14-28 ampft2)
4 Bantildeo brillante de niacutequel-cobalto
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
23
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 038 45 6
Sulfato de cobalto CoSO4 7H2O 011 15 2
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
Sulfato de amonio (NH4)2SO4 004 25 03
Formato de niacutequel Ni(COOH)2 067 50 67
Formaldehiacutedo HCHO (40) 25 03
pH 45
Temperatura 55 degC (131 degF)
Densidad de corriente 3 ampdm2 (28 ampft2)
1522 Condiciones de operacioacuten
El caraacutecter del depoacutesito depende de varios factores incluyendo la temperatura la densidad de
corriente el pH la distancia entre los electrodos y la agitacioacuten los cuales se ajustan para producir
recubrimientos gruesos o delgados mates o brillantes suaves o duros duacutectiles o fraacutegiles [22] Cabe
mencionar que los valores oacuteptimos para cada factor variacutean de acuerdo con el tipo del bantildeo por lo
que no es posible dar cifras determinadas En su lugar se indicaraacuten los efectos sobre el caraacutecter de
los depoacutesitos obtenidos
pH La eleccioacuten de pH es regida por el tipo de bantildeo y las propiedades que se desean en el
depoacutesito En general en bantildeos de niacutequel opaco un aumento en el pH especialmente arriba de 50
produce depoacutesitos maacutes duros probablemente como resultado de mayor precipitacioacuten
Reciacuteprocamente los depoacutesitos de bajo pH seraacuten probablemente suaves
Temperatura La ventaja de aplicar altas temperaturas depende de varios factores
incluyendo (1) maacutes elevada solubilidad del niacutequel u otras sales (2) mayor conductividad (3)
reducida polarizacioacuten en ambos electrodos y (4) aumento de eficiencia en el aacutenodo y caacutetodo
Aunque de igual manera se pueden presentar ciertas desventajas (1) aumento de la tendencia a la
precipitacioacuten de impurezas (2) la propensioacuten a coagular agentes abrillantadores (3) vaporizacioacuten
excesiva (4) produccioacuten de depoacutesitos pasivos y (5) menor potencia de depoacutesito
Densidad de corriente La densidad de corriente es dependiente de los dos factores
anteriores A temperatura ambiente especialmente en bantildeos diluidos se emplean densidades de
24
corriente de 5 a 20 Aft2 (05 a 2 Adm2) En bantildeos maacutes fuertes y calientes se pueden usar
densidades de corriente hasta de 60 Aft2 (6 Adm2)
Agitacioacuten El efecto de la agitacioacuten equivale a un aumento en concentracioacuten de niacutequel y a
una disminucioacuten de pH lo que permite densidades de corriente maacutes altas Una desventaja de la
agitacioacuten raacutepida en los bantildeos de niacutequel es que con el movimiento suben a la superficie las partiacuteculas
suspendidas lo que trae consigo un depoacutesito aacutespero
Distancia entre electrodos La elaboracioacuten de recubrimientos con espesor uniforme
depende tambieacuten de la propia disposicioacuten y espacio adecuado de las piezas de trabajo aacutenodo y
caacutetodo Por lo que entre maacutes cercana esteacute la superficie a recubrir del aacutenodo mayor seraacute el espesor
del depoacutesito obtenido
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel
Las propiedades fiacutesicas del niacutequel electrodepositado son de especial intereacutes porque hay una gran
variedad de propiedades el control de las cuales de las cuales crea aplicaciones especiales del
niacutequel por ejemplo en electroformacioacuten Las siguientes propiedades son para depoacutesitos opacos de
niacutequel [22]
Dureza Esta variacutea en los diferentes depoacutesitos de niacutequel cerca de 130 a 430 HB En el bantildeo
tipo Watts se obtuvo un miacutenimo de dureza a un pH de 3 obtenieacutendose depoacutesitos maacutes duros abajo
y arriba de este liacutemite Los depoacutesitos maacutes duros se obtienen con un alto pH
Resistencia a la tensioacuten En general la resistencia a la tensioacuten es casi paralela a la dureza
y va de 56 000 a 160 000 lbplg2 (3 900 a 11 000 kgcm2)
Ductilidad La ductilidad medida por elongacioacuten es casi inversamente proporcional a la
dureza y a la resistencia a la tensioacuten
Resistividad eleacutectrica La resistividad eleacutectrica del niacutequel depositado es influenciada por el
contenido de inclusiones como el oacutexido y el cobalto Se presenta un poco en un pH 3
Composicioacuten Los depoacutesitos de niacutequel contienen oxiacutegeno e hidroacutegeno probablemente
presentes como compuestos baacutesicos del niacutequel como Ni(OH)2 El cloruro puede estar presente en
los depoacutesitos de todos los bantildeos de cloruro Estas inclusiones indudablemente tienen influencia en
la dureza y resistencia a la tensioacuten
25
1524 Niquelado en diferentes metales base
Debido a que el niacutequel es el maacutes extensamente aplicado a numerosos metales base solo algunos
ciclos empleados seraacuten considerados en esta seccioacuten [22]
Niquelado en acero El niacutequel puede ser depositado directamente sobre acero o sobre una
capa delgada o gruesa de cobre Debido a numerosas pruebas de corrosioacuten y a lo demostrado por
la experiencia se sabe que las capas de cobre ejercen menos proteccioacuten que una densidad igual de
niacutequel por lo tanto la tendencia actual es eliminar el cobre
Niquelado en hierro vaciado La dificultad de galvanizar sobre hierro vaciado estaacute
indudablemente asociada con la presencia de carbono liberado o grafito en el hierro Si eacuteste
permanece parcialmente embebido el niacutequel no se deposita tan faacutecilmente sobre el carboacuten o
carburos como en los cristales de hierro Por ello se utiliza una capa de cobre ya que mejora la
adhesioacuten del niacutequel al hierro vaciado La limpieza catoacutedica en caacuteustico fundido es algunas veces
efectiva y la saturacioacuten en aacutecido fluorhiacutedrico puede ayudar Por buena que sea la adhesioacuten del
niacutequel al hierro vaciado no es tan buena como en el acero
Niquelado en cobre y latoacuten La praacutectica maacutes comuacuten es aplicar el niacutequel directamente al
cobre o latoacuten seguido por la acostumbrada capa de cromo Ha sido demostrado concluyentemente
que las capas de cromo aplicadas directamente al latoacuten dan menos proteccioacuten contra la corrosioacuten
que cuando se aplica primero una capa de niacutequel
Niquelado en zinc y vaciados con base de zinc Se ha confirmado por muchas pruebas que
las capas adherentes de niacutequel pueden ser aplicadas directamente a troquelados de zinc usando un
alto-sulfato en bantildeo de niacutequel El principio de este bantildeo es la adicioacuten de suficiente sulfato de sodio
para reducir la actividad del ion niacutequel y aumentar la polarizacioacuten del caacutetodo De este modo se
evita que el zinc pase a la solucioacuten precipitando niacutequel oscuro Este bantildeo de alto sulfato de niacutequel
tiene una excelente conductividad y potencia de depoacutesito
Niquelado en magnesio El galvanizado de niacutequel u otros metales en magnesio o sus
aleaciones se hace difiacutecilmente por la alta actividad del magnesio y su consecuente tendencia a
depositar niacutequel u otros metales pesados por inmersioacuten Debido a la gran diferencia de potenciales
de solucioacuten del magnesio y de metales como el cobre niacutequel o cromo eacutestos pueden galvanizarse
sobre el magnesio cuya corrosioacuten se acelera raacutepidamente si hay algunos poros o discontinuidad en
26
los recubrimientos Mientas no se pueda demostrar que pueden producirse y mantenerse
recubrimientos electroliacuteticos casi impenetrables en el magnesio y sus aleaciones es de dudarse que
estos galvanizados puedan tener una aplicacioacuten industrial
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de materiales consiste en la obtencioacuten de informacioacuten acerca de un material
bajo estudio (composicioacuten estructura morfologiacutea y otras propiedades) a partir de la interaccioacuten de
una sentildeal (eleacutectrica luminosa teacutermica etc) con una porcioacuten de dicho material Por tanto toda
caracterizacioacuten de un material supone una agresioacuten es decir una perturbacioacuten del mismo El
estudio de la respuesta del material a dicha perturbacioacuten tiene la finalidad de dar a conocer las
propiedades del mismo para asiacute predecir si seraacute uacutetil o no en una determinada aplicacioacuten
Se puede asegurar que la ayuda de las nuevas teacutecnicas de caracterizacioacuten y anaacutelisis ha sido
indispensable en el disentildeo siacutentesis y procesado de estos materiales permitiendo un cuidadoso
control de sus propiedades e incluso en muchos casos con la posibilidad de fijar de antemano
alguna de sus caracteriacutesticas
161 Dureza
La dureza es una propiedad de los materiales soacutelidos y se define como la resistencia que oponen
estos materiales a ser deformados Una buena dureza significa generalmente que el material es
resistente al rayado y al desgaste [23]
1611 Ensayo de dureza Vickers
Este ensayo usa un indentador en forma de piraacutemide hecho de diamante Figura 112 (a) El ensayo
se basa en el principio de que las impresiones hechas por este indentador tienen geometriacuteas
similares independientemente de la carga aplicada En consecuencia se aplican varias cargas
dependiendo de la dureza del material a ensayar [24] la dureza Vickers se determina entonces con
la foacutermula
HV = 1854 119865
1198632
Donde F es la fuerza aplicada en kgf y D es la diagonal de la impresioacuten hecha por el
indentador en mm El ensayo Vickers puede usarse para todos los metales porque cuenta con una
de las escalas maacutes amplias entre los ensayos de dureza
Ec 16
27
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante un ensayo de dureza
162 Rugosidad
El acabado superficial de los cuerpos puede presentar errores de forma macro y micro geomeacutetricos
auacuten las superficies consideradas como ldquomuy lisasrdquo muestran cuando son analizadas a escala
sumamente fina una compleja diversidad de particularidades geomeacutetricas [25] Por lo tanto la
rugosidad es el conjunto de irregularidades en una superficie real
1621 El perfiloacutemetro
El rugosiacutemetro o perfiloacutemetro es por mucho el equipo maacutes utilizado en la industria para medir la
rugosidad de componentes comunes El principio de operacioacuten de este equipo es simple una fina
punta en contacto con la superficie a analizar realiza un barrido controlado en liacutenea recta y las
variaciones de alturas se convierten en sentildeales eleacutectricas que son debidamente registradas
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro
28
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB)
En el microscopio electroacutenico de barrido se construyen imaacutegenes aprovechando la emisioacuten de
electrones (electrones secundarios) de una muestra cuando sobre ella incide un haz enfocado de
electrones de alta energiacutea La muestra tambieacuten emite rayos X los cuales pueden ser analizados para
obtener informacioacuten sobre la composicioacuten del material [26] Cada sentildeal del MEB es captada con
un detector apropiado
Los electrones emitidos por la interaccioacuten del haz incidente y la muestra son colectados por
los correspondientes detectores para producir una sentildeal eleacutectrica la cual se utiliza para modular la
intensidad de un haz de electrones que incide en la pantalla de un tubo de rayos catoacutedicos (TRC)
de manera que mediante un barrido sincronizado del haz incidente en la superficie de una muestra
y del haz incidente en la pantalla del TRC se produce la imagen de la muestra [26]
La emisioacuten de electrones y de rayos X de la muestra se origina por las colisiones de
electrones del haz incidente con electrones de los aacutetomos del material de la probeta tal como se
puede observar en la Figura 114
Algunas colisiones son elaacutesticas de modo que algunos electrones del haz primario pueden
salir de la superficie de la muestra sin una significativa peacuterdida de energiacutea estos son los llamados
electrones reflejados Pero la mayoriacutea de las colisiones son inelaacutesticas y entre otros efectos
originan emisioacuten de electrones de baja energiacutea conocidos como electrones secundarios
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y fotones por la
interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
29
1631 Componentes baacutesicos del MEB
Cantildeoacuten de electrones que produce un haz con energiacutea entre 5 keV y 30 keV con un diaacutemetro
efectivo entre 01 microm y 10 microm
Lentes electromagneacuteticas condensadoras que reducen el diaacutemetro del haz de manera que en
la superficie de la muestra se tiene un diaacutemetro apropiado al aumento de la imagen
Apertura final la cual controla la divergencia del haz incidente en la muestra
Una lente objetivo que enfoca el haz en la superficie de la muestra
Sistema de barrido el cual permite la construccioacuten de la imagen en la pantalla del TRC por
el barrido del haz en la superficie de la muestra
Detectores de sentildeales emitidas por la muestra (Electrones secundarios electrones
reflejados rayos X etc)
Tubo de rayos catoacutedicos para presentacioacuten de la imagen
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica es una teacutecnica relativamente nueva que permite obtener
imaacutegenes de superficies a escala molecular [27] El microscopio consta esencialmente de una punta
de Si3N4 montada sobre un fleje Con esta punta se realiza un barrido sobre la superficie de la
muestra la cual se situacutea sobre un escaacutener piezoeleacutectrico El funcionamiento del microscopio se
basa en el control por un ordenador de la fuerza ejercida por la punta durante el barrido (Ver Figura
30
116) En el modo denominado de contacto la fuerza punta-muestra se mantiene constante
mediante un sistema de retroalimentacioacuten basado en los siguientes puntos
1) La variacioacuten de la fuerza punta-muestra se traduce en movimientos verticales y horizontales
del fleje que hacen variar la direccioacuten de un rayo laacuteser incidente sobre eacutel Estos cambios en
la direccioacuten del laacuteser son recogidos por un fotodetector y analizados por un ordenador
2) Los aumentos o disminuciones de fuerza son compensados por el ordenador que enviacutea una
sentildeal al piezoeleacutectrico para que acerque o aleje la muestra a la punta
3) Tanto las variaciones del haz luminoso como los movimientos controlados del
piezoeleacutectrico son convertidos por el ordenador en un mapa topograacutefico de la superficie
Figura 116 Funcionamiento de un MFA
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX)
El meacutetodo de difraccioacuten por rayos X es una herramienta poderosa para investigar la disposicioacuten
ordenada de los aacutetomos o moleacuteculas por medio de la interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica
para producir efectos de interferencia con estructuras comparables en tamantildeo a la longitud de onda
de la radiacioacuten
31
Al igual que con los tipos de radiacioacuten electromagneacutetica la interaccioacuten entre el vector
eleacutectrico de la radiacioacuten X y los electrones de la materia que atraviesa da lugar a una dispersioacuten
Cuando los rayos X son dispersados por el entorno ordenado de un cristal tienen lugar
interferencias (constructivas y destructivas) entre los rayos dispersados ya que las distancias entre
los centros de dispersioacuten son del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la radiacioacuten
La teacutecnica de difraccioacuten de rayos X aplicada al estudio de materiales permite obtener
informacioacuten importante sobre distintos aspectos de los mismos Para recubrimientos [28] eacutesta
teacutecnica es imprescindible para determinar
Tipo de estructura (FCC HCP etc)
Esfuerzos residuales
Microdeformaciones
Tamantildeo de grano
Fases presentes
Proporcioacuten relativa de las fases
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X
El fenoacutemeno de difraccioacuten es la interferencia entre las ondas que se genera cuando hay un objeto
en su trayecto Para comprender mejor esto supoacutengase dos planos reticulares 1 y 2 tal como en la
Figura 117 de un cristal con una distancia d entre ambos converge un haz de rayos X procedente
de A con un aacutengulo de incidencia θ este haz en parte se refleja sobre el primer plano hacia F y
en parte atraviesa y se refleja sobre el plano 2 hacia F3 y asiacute sucesivamente sobre los otros planos
[29]
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X
32
En el punto D se sobrepone un rayo reflejado por el primer plano reticular y el otro del
segundo cuya diferencia de camino despueacutes de la reflexioacuten es CD-ED Si tal diferencia es un
muacuteltiplo entero n de la longitud de onda λ de la radiacioacuten X los dos rayos en D estaraacuten en
concordancia de fase y sobreponieacutendose aumentaraacute su intensidad
Por el contrario si estaacuten en discordancia tenderaacuten a anularse Para que se verifique esta
condicioacuten es necesario que las magnitudes λ d θ y n satisfagan la relacioacuten de la Ley de Bragg
nλ = 2 d sen θ
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP)
La teacutecnica electroquiacutemica llamada Resistencia a la Polarizacioacuten es el resultado de la aproximacioacuten
de bajo campo a la ecuacioacuten de Butler-Volmer y por este motivo se debe aplicar solamente cuando
exista control activacional o por transferencia de carga
Los materiales que son susceptibles de ser evaluados mediante la aplicacioacuten de la RP deben
estar inmersos en electrolitos conductores es decir que la resistividad de las soluciones no sea alta
y deben encontrarse libres de peliacuteculas resistivas
1661 Procedimiento experimental
Para realizar un estudio experimental de Resistencia a la Polarizacioacuten lo mejor es acudir a la norma
ASTM G 59-91 [32] En general los pasos a seguir de acuerdo a la norma son los siguientes
Usar un puente salino que acerque el electrodo de referencia a 2 o 3 mm de la superficie
del electrodo de trabajo
Registrar el potencial de corrosioacuten despueacutes de 5 minutos
Aplicar un potencial 30 mV maacutes negativo que el potencial registrado
Un minuto despueacutes de que se aplique el potencial se inicia un barrido con direccioacuten anoacutedica
a 06 Vh (10 mVmin) registrando el potencial y la corriente continuamente
Terminar el barrido cuando se alcanza un valor de 30 mV positivo que el potencial de
corrosioacuten
Graficar la curva de polarizacioacuten
Determinar graacuteficamente la resistencia a la polarizacioacuten como la tangente a la curva en el
origen de la graacutefica
Ec 17
33
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE)
La teacutecnica de Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica es un meacutetodo electroquiacutemico
utilizado en estudios de corrosioacuten el cual se basa en el uso de una sentildeal de corriente alterna (CA)
que es aplicada a un electrodo (metal en corrosioacuten) y determinando la respuesta correspondiente
En el procedimiento experimental comuacutenmente utilizado se aplica una sentildeal sinusoidal de
voltaje y se mide su respuesta en corriente a diferentes frecuencias aunque es posible aplicar una
pequentildea cantidad de corriente y medir la respuesta del potencial El voltaje la corriente y la
frecuencia son relacionadas por la impedancia en una forma anaacuteloga a la ley de Ohm
V = IZ
Donde Z es la impedancia del circuito A diferencia de la resistencia la impedancia de un
circuito puede depender de la frecuencia aplicada
Cuando se aplica una sentildeal de CA incluso en un sistema de corrosioacuten sencillo se comporta
de manera maacutes complicada que una sola resistencia Pues existe tambieacuten una capacitancia la de la
doble capa electroquiacutemica (Cdl) que es debida a la carga de las especies existentes en la interfase
metal-electrolito y que se encuentra presente en todos los sistemas corrosivos Ademaacutes estaacute la
resistencia de la solucioacuten (Rs) para que se le permita La combinacioacuten de estos tres componentes
proporciona un circuito equivalente simple para un metal que se corroe Dicho circuito es una
combinacioacuten de elementos eleacutectricos tales como resistores y capacitores lo que da la misma
respuesta a sentildeales eleacutectricas como el metal real que se corroe [30] El circuito simple descrito
anteriormente se muestra en la Figura 118
Figura 118 Circuito equivalente simple
Los espectros de impedancia se pueden utilizar para identificar y cuantificar las
capacitancias en el sistema y para separar diferentes resistencias por ejemplo la resistencia de la
solucioacuten y la resistencia a la polarizacioacuten A altas frecuencias la resistencia de la solucioacuten se puede
cuantificar A frecuencias maacutes bajas los diferentes tipos de procesos se producen en diferentes
Ec 18
34
escalas de tiempo (en diferentes frecuencias) y puede ser posible identificar los procesos de
difusioacuten o los fenoacutemenos de adsorcioacuten y desorcioacuten [3031]
1671 Representaciones graacuteficas
Solamente existen dos maneras de representar los valores experimentales de la espectroscopia de
impedancia electroquiacutemica
1 Diagramas de Nyquist Tipo de representacioacuten maacutes comuacuten que consiste en graficar los
valores de la impedancia real frente a los de la impedancia imaginaria Estos diagramas
permiten identificar la resistencia del electrolito la resistencia a la transferencia de carga y
la resistencia a la polarizacioacuten [3031] en la mayor parte de los casos La Figura 119
muestra un ejemplo de este tipo de diagramas
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist
2 Diagramas de Bode En este tipo de representaciones se pueden obtener dos diagramas el
moacutedulo de la impedancia y el aacutengulo de fase (Figura 120) Tambieacuten en funcioacuten de la parte
real o la imaginaria pero en escala logariacutetmica Ambos graacuteficos son particularmente uacutetiles
cuando existen constantes de tiempo con valores muy proacuteximos que no se pueden distinguir
en los diagramas de Nyquist
35
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b) Moacutedulo de
impedancia
1672 Ecuacioacuten de Brug
Como bien se sabe el objetivo de los experimentos de EIS es a menudo extraer la capacitancia de
las peliacuteculas (posiblemente como una funcioacuten del potencial aplicado) y por lo tanto para obtener
informacioacuten sobre las propiedades dieleacutectricassemi-conductoras de dichas peliacuteculas Sin embargo
en diversos sistemas la estimacioacuten de la capacitancia es difiacutecil debido a que un comportamiento
de elemento de fase constante (CPE) se observa en lugar de un comportamiento capacitivo
Brug [33] propuso una foacutermula (Ec 19) que relaciona la resistencia del electrolito (Re) y
la resistencia a la transferencia de carga (Rtc) donde es posible calcular la capacitancia contenida
en el CPE
119862 = 1198761
120572[119877119890minus1 + 119877119905119888minus1]1minus120572
120572
Donde C es la capacitancia Q es el factor de Brug Re es la resistencia del electrolito Rtc
es la resistencia a la transferencia de carga y α es la pendiente de la impedancia calculada a bajas
frecuencias
Ec 19
36
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental
21 Preparacioacuten superficial de muestras
A partir de una laacutemina de acero 1018 de 150 x 1 m se cortaron 48 placas de 10 x 2 cm cada una
con una cizalla ya que se necesitaba que cada muestra fuera perfectamente paralela para el proceso
de electrodeposicioacuten
Las placas de acero presentaban una capa de oacutexido por lo que se siguioacute la norma ASTM
G1 [34] para decapar cada muestra durante 10 minutos en HCl al 50 (Ver figura 21) para
posteriormente lavarse con agua potable y asiacute pasar al lijado con granulometriacutea 180 240 320 400
y 600 Seguido de un lavado con agua destilada para eliminar residuos de material removido y
finalizando con un bantildeo de acetona para retirar cualquier resto de humedad y grasa
Figura 21 Decapado de muestras
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos
Para los electrodepoacutesitos con influencia de un campo magneacutetico se utilizaron dos imanes de
neodimio sin embargo no teniacutean sentildealizacioacuten alguna para diferenciar sus polos ni se conociacutea el
valor del campo Entonces se utilizoacute una bruacutejula para determinar el norte y sur de cada imaacuten asiacute
como se aprecia en la Figura 22
37
Figura 22 Determinacioacuten de los polos
Y el campo magneacutetico se midioacute con un gausiacutemetro Marca RFL modelo 91 (Figura 23)
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico
23 Preparacioacuten del electrolito
Para el proceso de electrodeposicioacuten se empleoacute un bantildeo Watts estaacutendar [35] cuya composicioacuten se
presenta en la Tabla 21
38
Para la deposicioacuten electroliacutetica sin campo se preparoacute un litro de solucioacuten y para la que teniacutea
influencia de campo magneacutetico se hicieron dos litros
24 Obtencioacuten de recubrimientos
Para las electrodeposiciones se utilizoacute una fuente de poder marca Good Will Instrumets modelo
GPR-3510HD En cuya terminal negativa se conectoacute el caacutetodo (acero 1018) y en la positiva el
aacutenodo (niacutequel soacutelido Figura 24) Ambos electrodos se colocaron paralelamente cara con cara
Figura 24 Rondelas de niacutequel
Los electrodepoacutesitos de niacutequel sobre acero 1018 con y sin influencia de campo magneacutetico
se llevaron a cabo a voltaje constante siendo eacuteste de 4 V midiendo la corriente resultante al
finalizar el proceso las muestras se lavaron con agua destilada y se dejaron secar al ambiente Se
realizaron seis condiciones diferentes tal como lo muestra la Tabla 22
En el caso de los electrodepoacutesitos en presencia de campo magneacutetico se utilizaron dos
imanes de Neodimio (Valor fluctuante de 15 a 34 T) los cuales se instalaron en la cuba
electroliacutetica el polo norte cerca del aacutenodo y el polo sur del caacutetodo tal como lo muestra la Figura
25
39
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con imanes de
neodimio
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos
Las muestras electrodepositadas con y sin presencia de campo magneacutetico se fijaron a una celda
de acriacutelico con un aacuterea de exposicioacuten de 133 cm2 en dicha celda se vertioacute una solucioacuten de NaCl
al 3 en peso se colocoacute una tapa y se introdujeron un electrodo de referencia de AgAgCl y un
contra-electrodo de grafito Dicha celda se conectoacute a un potenciostato marca Bio-logic modelo
SP-150 controlado mediante una computadora de escritorio con su respectivo software El
dispositivo utilizado para las pruebas se puede ver en la Figura 26a
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el electrodo de
referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo (ET)
40
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
Se utilizoacute la teacutecnica de RP en modo potenciodinaacutemico en un intervalo de plusmn 20 mVEcorr a una
velocidad de barrido de 01667 mVs haciendo la respectiva curva de polarizacioacuten mediante la
computadora Previo a esto el electrodo de trabajo se dejoacute estabilizar en el electrolito (NaCl al 3
peso) durante 30 minutos
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica
Al teacutermino de la medicioacuten de la RP el electrodo de trabajo se dejoacute a circuito abierto durante 15
minutos Posteriormente se utilizoacute la teacutecnica EIE en un intervalo de frecuencias de 50 kHz a 50
mHz a 7 puntos por deacutecada y 10 mV de perturbacioacuten
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos
Para la caracterizacioacuten superficial las placas se cortaron en una maacutequina dobladora a una medida
de 2 x 2 cm para asiacute poder ingresar a ciertos equipos Se eligioacute una muestra de cada condicioacuten
tanto con y sin influencia de campo magneacutetico
261 Dureza
Los estudios de dureza fueron obtenidos con un microduroacutemetro de Vickers marca
Mitutoyo Colocando las placas en el portamuestras del microscopio se hizo incidir el indentador
de diamante aplicando una carga de 10 kgf durante 20 s para un acero suave [36] Este
procedimiento se realizoacute 5 veces por muestra para obtener un promedio de dureza
262 Rugosidad
Se utilizoacute un rugosiacutemetro marca Mitutoyo modelo Surftest-402 Las muestras se colocaron
en una superficie plana y sobre ella se situoacute el palpador con punta coacutenica tal como lo muestra la
Figura 27 posteriormente se calibroacute dicha punta y entonces el equipo realizoacute un pequentildeo recorrido
sobre la superficie con el que determinoacute la rugosidad de cada muestra en microm
41
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido
Para esta caracterizacioacuten de las placas se utilizoacute el Microscopio Electroacutenico de Barrido de
alto-bajo vaciacuteo Jeol JSM 6610LV con un voltaje de 20 kV y una distancia de trabajo de 10 mm
Las placas se colocaron en un portamuestras (Figura 28) y se analizaron a alto vaciacuteo Las imaacutegenes
se formaron con una sentildeal de electrones secundarios a 500 1000 y 5000X
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
Se utilizoacute un Microscopio de Fuerza Atoacutemica marca Asylum Research modelo Cypher que cuenta
con una punta de silicio que tiene una constante de 2 Nm (conforme se va desgastando va
disminuyendo su valor)
Para las muestras sin influencia de campo magneacutetico se utilizoacute el modo contacto es decir
la fuerza entre la punta y la muestra son constantes En el caso de las muestras con influencia de
campo magneacutetico que mostraron una superficie menos rugosa y maacutes faacutecil de medir
topograacuteficamente se usoacute el modo no contacto por lo que la punta no tocaba la muestra sino que
42
oscilaba a una distancia de entre 1 y 10 nm Todas las imaacutegenes se obtuvieron en un aacuterea de 10 x
10 microm a una velocidad de barrido de 10 Hz escaneando 512 liacuteneas generadas por 512 puntos en
zonas especiacuteficas
265 Difraccioacuten de rayos X
Para esta caracterizacioacuten se utilizoacute un difractoacutemetro de rayos X marca Siemens modelo D5000
Las condiciones de operacioacuten fueron las siguientes velocidad de barrido de 05 s incrementos de
0035cps 35 kV y 25 mA El intervalo de aacutengulo seleccionado fue 2θ = 30 a 120deg que es el
rango donde aparecen la mayoriacutea de los picos caracteriacutesticos del niacutequel [37]
43
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten
Para una mejor comprensioacuten de los resultados eacutestos se presentan de manera comparativa en
funcioacuten del tiempo de electrodeposicioacuten con y sin campo magneacutetico analizando dichos
recubrimientos con las teacutecnicas electroquiacutemicas planteadas en el capiacutetulo de metodologiacutea
experimental tambieacuten se realizaron anaacutelisis del comportamiento de las propiedades fiacutesicas tales
como dureza rugosidad y espesor para determinar la influencia del campo magneacutetico durante la
electrodeposicioacuten de niacutequel
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos
La Figura 31b muestra las reacciones que se llevaron a cabo en el proceso de electrodeposicioacuten
Como ya se sabe en el aacutenodo se lleva a cabo la oxidacioacuten del niacutequel y en el caacutetodo la reduccioacuten
del mismo Sin embargo en el caacutetodo tambieacuten se lleva a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten del
hidroacutegeno ya que el medio usado para la electrodeposicioacuten es aacutecido (pH = 3) por ello la eficiencia
en el caacutetodo no es del 100
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni
311 Caacutelculo de masa depositada
Para conocer la masa de Ni depositada en el acero 1018 se realizaron mediciones de peso antes y
despueacutes de que las placas fueran sometidas al proceso de electrodeposicioacuten Sin embargo como el
aacuterea de electrodepoacutesito no es la misma en todas las placas se compara la masa depositada por
centiacutemetro cuadrado tal como lo muestra la Tabla 31
44
En la tabla 31 se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten de
niacutequel la masa por unidad de aacuterea aumenta Esto se cumple para ambas temperaturas (30degC y 60degC)
y ambas condiciones (sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico) sin embargo se demostraraacute
maacutes adelante que el aumento de masa no es garantiacutea de una reduccioacuten de la velocidad de corrosioacuten
(Grafico 31) Es importante sentildealar que tanto a 30degC como a 60degC la masa de niacutequel disminuye
cuando se utiliza el campo mageacutentico sin embargo a 30degC esto no se cumple debido a que hay un
aumento de masa
312 Eficiencia en corriente
Es importante mencionar que en todos los electrodepoacutesitos la corriente final era menor que la
inicial Dicha caiacuteda de corriente se debioacute a la formacioacuten de una capa de oacutexido en el aacutenodo Figura
32 lo que ocasionoacute una disminucioacuten en la entrega de cationes (Ni2+) a la solucioacuten
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido
La eficiencia en corriente se evaluoacute con la foacutermula del Anexo 1-A y se tomoacute el valor de la
corriente inicial para dicho caacutelculo Los resultados se muestran en la Tabla 32 Mientras que
Ferreira y Colnago [12] reportaron obtener eficiencias del doble para sus peliacuteculas de cobre en
45
este caso se puede notar que la presencia del campo magneacutetico provoca una disminucioacuten en el
rendimiento del sistema
La fuente de poder se debe regular para poder otorgar los 4 V que el proceso de
electrodeposicioacuten requiere y desde el momento en que se enciende el aparato empieza a mandar
corriente Por ello ciertas eficiencias sobrepasan el 100 pues el tiempo de ajuste se excedioacute maacutes
de 50 segundos
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
En la Figura 33 se observan los resultados de la resistencia a la polarizacioacuten en funcioacuten de la
temperatura y del tiempo de exposicioacuten A 60degC se observa que el campo magneacutetico provoca una
disminucioacuten de la resistencia a la polarizacioacuten para los diferentes tiempos de electrodepoacutesito
realizados lo cual se traduce en un aumento de la velocidad de corrosioacuten de acuerdo con la
ecuacioacuten de Stern y Geary (Ec 14) Este efecto de disminucioacuten de la Rp tambieacuten se observa en
los datos a 30degC con excepcioacuten del tiempo 7 minutos
46
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal
En la Tabla 33 se presentan las variaciones de icorr y Vcorr sin campo magneacutetico y en
presencia de campo magneacutetico a 30deg y 60deg en funcioacuten del tiempo de electrodepoacutesito
En la Graacutefica 31 se puede observar que a 60degC con mayor tiempo de electrodeposicioacuten de
Ni disminuye la Vcorr Sin embargo se puede notar que con la presencia del campo las velocidades
de corrosioacuten son mayores pero respetando la tendencia antes mencionada
60degC17min CM
60degC17min SC
60degC12min CM
60degC12min SC
60degC7min CM
60degC7min SC
30degC17min CM
30degC17min SC
30degC12min CM
30degC12min SC
30degC7min CM
30degC7min SC
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Rp (Ohm cm2)
47
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de electrodeposicioacuten
La tabla 34 muestra los valores de Ecorr para ambas temperaturas (30degC y 60degC) y en las
dos condiciones ensayadas (sin campo y con campo) Sin campo magneacutetico y con excepcioacuten de
30degC y 17 min se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten el Ecorr se
desplaza hacia valores menos negativos al mismo tiempo que la Vcorr disminuye (Tabla 33) De
acuerdo con la Teoriacutea de Potencial Mixto explicada por Evans el sistema se encuentra bajo un
control tipo anoacutedico es decir que la reaccioacuten de oxidacioacuten de niacutequel se desplaza para dar un Ecorr
menos negativo al mismo tiempo que reduce la Vcorr
1198731198942+ + 2119890minus harr 119873119894deg
Sin embargo a 30degC y 17 min el sistema se encuentra bajo control catoacutedico debido a que
persiste la disminucioacuten de Vcorr ahora con un cambio en el potencial hacia valores maacutes negativos
Al comparar los valores de Ecorr sin campo magneacutetico con los de campo magneacutetico se observa que
para la temperatura 60degC los valores de Ecorr se desplazan hacia valores maacutes electronegativos
Como se discutioacute anteriormente esto se debe a un control cineacutetico tipo anoacutedico Cuando se
considera la temperatura de 30degC se observa un desplazamiento hacia valores menos negativos es
7min 12min 17min
000
002
004
006
008
010
Vco
rr (
mm
an
o)
Tiempo de electrodeposicion
60degC Sin campo
60degC Con campo
30degC Sin campo
30degC Con campo
48
decir la cineacutetica estaacute controlada por la reaccioacuten catoacutedica Diversos trabajos reportan este mismo
efecto en donde el campo magneacutetico tiene un efecto sobre la reaccioacuten de reduccioacuten de oxiacutegeno
1198742 + 21198672119874 + 4119890minus harr 4119874119867minus
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica
Como se mencionoacute previamente en el apartado 167 referente a la teacutecnica de impedancia
mediante esta teacutecnica es posible evidenciar y cuantificar el efecto que tiene la capacitancia de una
interface electroquiacutemica y asiacute proporcionar informacioacuten complementaria al estudio de corrosioacuten
Las graacuteficas 32 33 y 34 correspondientes a los diagramas de Nyquist obtenidos en los
tres diferentes tiempos de electrodeposicioacuten a 60degC con y sin influencia de campo magneacutetico
Revelan en los tres casos que el campo magneacutetico disminuye la resistencia a la transferencia de
carga (Rtc) es decir el proceso de corrosioacuten se ve favorecido tal como se pudo mostrar en los
resultados de resistencia a la polarizacioacuten De igual manera se observa una disminucioacuten en la
resistencia del electrolito (Rs) esto debido a la fuerza convectiva (visible) que ejerce el campo
magneacutetico en el electrolito el cual provoca una mejor difusioacuten de los iones dicha informacioacuten es
consistente a lo reportado por Calivar e Ispas [67]
49
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
500
1000
1500
2000 50 mHz
60degC 7min SC
60degC 7min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
1000
2000
3000
50 mHz
60degC 12min SC
60degC 12min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
50 kHz
50 mHz
Re(Z) (Ohm cm2)
50
Graacutefica 34 EIE de 60degC 17min
34 Dureza Rugosidad y Espesor
La Tabla 35 muestra que la aplicacioacuten de un campo magneacutetico durante el proceso de
electrodeposicioacuten de niacutequel provoca que la dureza disminuya lo que significa que el recubrimiento
es menos susceptible a fracturarse este resultado es similar a lo reportado por Zielinski [11] y la
disminucioacuten de fracturas en sus peliacuteculas de Co-W ante la presencia de un campo magneacutetico
Tambieacuten es importante sentildealar que la rugosidad de cada niquelado presentoacute un
empobrecimiento lo que significa que el campo magneacutetico ayuda a obtener recubrimientos maacutes
uniformes
0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000
0
3000
6000
9000
12000
15000
18000 50 mHz
60degC 17min SC
60degC 17min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
51
Los espesores fueron calculados mediante la foacutermula que aparece en el Anexo 1-B y se
puede notar que eacuteste decrece ante la presencia del campo magneacutetico Esto se puede constatar de
igual forma a partir de los datos de impedancia los cuales permitieron calcular los valores de
capacitancia a partir de la ecuacioacuten de Brug (Ec 19) cuyos resultados se muestran en la Tabla
36
Como se puede observar los valores de capacitancia con el campo magneacutetico son mayores
en un orden de magnitud que aquellos donde no existe el campo permitiendo confirmar que el
espesor maacutes delgado se encuentra con la influencia del campo
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
A continuacioacuten se muestran las imaacutegenes topograacuteficas obtenidas en el MFA Con lo cual se puede
corroborar que ocurre una disminucioacuten en la rugosidad de las peliacuteculas de niacutequel con presencia de
campo magneacutetico
52
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC-7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC-12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC-17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
36 Difraccioacuten de Rayos X
Los patrones de difraccioacuten de los recubrimientos de Ni en acero 1018 Figura 37 se caracterizan
por la presencia de los planos de la estructura cuacutebica centrada en las caras de acuerdo al PDF 03-
065-4899 [32] Esta fase cristalina estuvo presente en todos los recubrimientos
De acuerdo con lo reportado por Hu [33] la energiacutea de activacioacuten para la evolucioacuten de
hidroacutegeno es mayor en el plano (111) que en el plano (200) del Ni Dicho de otra manera en el
53
plano (200) habraacute maacutes produccioacuten de hidroacutegeno gaseoso durante el proceso de electrodeposicioacuten
de niacutequel lo que trae consigo posiblemente recubrimientos porosos
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia de campo
magneacutetico
Para los depoacutesitos en presencia de campo magneacutetico a 7 y 12min se observa una orientacioacuten
preferencial en el plano (200) sin embargo el pico a 7min es mucho mayor que el de 12
comparando estos resultados con las pruebas electroquiacutemicas y de acuerdo a los reportado por Hu
[33] esto nos lleva a suponer que en este caso el recubrimiento es maacutes poroso y delgado de acuerdo
a las medidas de espesor (Tabla 35) Para el caso de 17min con campo magneacutetico se tiene una
orientacioacuten preferencial en el plano (111) esta muestra tiene un mejor comportamiento
electroquiacutemico de acuerdo a la Figura 33 ademaacutes de acuerdo a lo reportado por Hu [33] nos lleva
a deducir que este recubrimiento es el menos poroso de los tres con campo magneacutetico Lo anterior
explica por queacute la velocidad de corrosioacuten es mayor a 7min y va disminuyendo conforme aumenta
el tiempo de electrodeposicioacuten Y tambieacuten revela la causa por la que el potencial de corrosioacuten es
maacutes negativo en presencia del campo magneacutetico La porosidad tambieacuten nos explica la razoacuten por la
cual la dureza de los recubrimientos hechos en presencia del campo magneacutetico disminuye con
respecto a aquellos realizados en ausencia del mismo
40 45 50 55 600
4000
8000
12000
16000
20000
17min SC
17min CM
12 min CM
12 min SC
7min CM
Inte
nsid
ad
(U
A)
2 (grados)
60degC-7min SC
60degC-12min SC
60degC-17min SC
60degC-7min CM
60degC-12min CM
60degC-17min CM
Ni
7min SC
(111) (200)
54
La existencia de los poros en el recubrimiento propicia un par galvaacutenico Figura 38 entre
el niquelado electroliacutetico y el acero 1018 ya que este uacuteltimo es maacutes electronegativo por
consiguiente maacutes propenso a la corrosioacuten Tambieacuten estaacute el efecto de las diferencias de aacutereas entre
aacutenodo (acero) y caacutetodo (niquelado) siendo en este caso el caacutetodo quien posee mayor aacuterea de
exposicioacuten al ambiente es el aacutenodo quien se corroeraacute maacutes faacutecil y raacutepidamente
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni
37 Microscopia Electroacutenica de Barrido
Las Figuras 39 310 y 311 muestran las imaacutegenes obtenidas en el MEB de los recubrimientos de
Ni a 60degC 7min 12min y 17min respectivamente Se aprecia una morfologiacutea maacutes uniforme con la
presencia de campo magneacutetico y las aglomeraciones de partiacuteculas metaacutelicas son mucho maacutes
grandes que sus homoacutelogos sin influencia del campo
55
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y sin influencia
de campo magneacutetico
56
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min con y sin
influencia de campo magneacutetico
57
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min con y sin
influencia de campo magneacutetico
58
Conclusiones
A partir de los resultados experimentales obtenidos en el presente trabajo se puede concluir lo
siguiente
La eficiencia de electrodepositacioacuten es funcioacuten de la pureza del aacutenodo y de la corriente
aprovechada por la reaccioacuten de reduccioacuten de hidroacutegeno
El aumento en el tiempo de electrodepositacioacuten conduce a un aumento en la masa de niacutequel
electrodepositada esto es vaacutelido para la condicioacuten sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico
sin embargo esto no garantiza la disminucioacuten de Vcorr
Sin campo magneacutetico los resultados obtenidos a 30degC y 60degC muestran que la Vcorr
disminuye conforme el tiempo de electrodepoacutesito de niacutequel aumenta Tambieacuten en ausencia del
campo las Vcorr obtenidas a 30degC son menores comparadas con las Vcorr a 60degC a excepcioacuten de
17 min
Sin campo magneacutetico se observa que la degradacioacuten del niquelado estaacute controlada por una
cineacutetica anoacutedica lo cual es vaacutelido para 30degC y para 60degC con excepcioacuten de 30degC y 17 min donde
la cineacutetica que controla es catoacutedica Asimismo a 30degC con campo magneacutetico se observa que la
cineacutetica que controla el sistema es la catoacutedica lo cual sugiere que la reaccioacuten de reduccioacuten de
oxiacutegeno ser manipulada por el campo magneacutetico
En presencia del campo magneacutetico se encontroacute que la resistencia de la solucioacuten disminuyoacute
tanto a 30degC como a 60degC debido a una fuerza adicional convectiva que provoca el campo
magneacutetico
La Vcorr es dependiente de la cantidad de masa depositada pero tambieacuten del ordenamiento
cristalino que los aacutetomos de niacutequel adquieren al momento del electrodepoacutesito
En presencia del campo magneacutetico las micrografiacuteas MEB revelan superficies con menos
rugosidad respecto a las muestras sin campo magneacutetico
A 60degC hay poca o nula contribucioacuten del campo magneacutetico mientras que a 30degC si hay una
contribucioacuten del campo pero es negativa respecto a la Vcorr
59
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Anexo 1 Caacutelculos
1-A Caacutelculo de eficiencia
En la praacutectica la corriente suministrada a un sistema no es aprovechada al 100 pues hay
peacuterdidas de corriente por diversos motivos entre otros
a) Desviacioacuten de corriente por caminos secundarios
b) Impurezas de las soluciones (las cuales dan reacciones secundarias)
c) Resistencia eleacutectrica propia del bantildeo electroliacutetico
d) Peacuterdidas por transformacioacuten de energiacutea eleacutectrica a energiacutea caloriacutefica
e) Fenoacutemenos de polarizacioacuten
Entonces se puede decir que
Eficiencia en corriente = 119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119905119890oacute119903119894119888119886
119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119904119906119898119894119899119894119904119905119903119886119889119886 119903119890119886119897x100
1-B Caacutelculo de Espesor
El meacutetodo maacutes satisfactorio para medir el espesor promedio de una capa es disolverla y determinar
el peso de la misma a partir de una muestra cuya aacuterea se conozca en el caso de este estudio se
pesaron las placas antes y despueacutes del electrodepoacutesito para determinar la masa depositada El
espesor se calcula asiacute a partir del peso y del aacuterea y de la densidad o peso especiacutefico del depoacutesito
utilizando la foacutermula
T (espesor) = 119862119882 (119901119890119904119900)
119860(aacute119903119890119886)times119863(119901119890119904119900 119890119904119901119890119888iacute119891119894119888119900)
En donde C es una constante que depende simplemente de las unidades utilizadas En
unidades meacutetricas la ecuacioacuten se transforma en
T(mm) = 10119882(119892119903)
119860(1198881198982)times119863
63
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 7min
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 12min
-0000006 -0000003 0000000 0000003
-040
-038
-036
-034
-032
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
-0000004 -0000002 0000000 0000002
-035
-034
-033
-032
-031
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
64
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 17min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 7min
-00000006 -00000003 00000000 00000003 00000006
-026
-024
-022
-020
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
-00000027 -00000018 -00000009 00000000 00000009 00000018
-028
-024
-020
-016
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
65
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 12min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 17min
-0000004 -0000002 0000000 0000002 0000004
-038
-036
-034
-032
-030
-028
-026
-024
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
-0000006 -0000003 0000000 0000003 0000006 0000009
-032
-031
-030
-029
-028
-027
-026
-025
-024
-023
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
4
Hipoacutetesis
El campo magneacutetico provoca una orientacioacuten en los iones yo moleacuteculas del electrolito destinado
a la electrodeposicioacuten con ello se modifican ciertas propiedades fiacutesicas y quiacutemicas de un
electrodepoacutesito de niacutequel en acero 1018
5
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico
11 Antecedentes
El efecto de un campo magneacutetico sobre la orientacioacuten de las moleacuteculas durante un proceso de
formacioacuten de un producto ha sido muy poco estudiado En la industria se encuentran algunos casos
sin que haya reportes formales A continuacioacuten se discutiraacuten algunos de ellos
El ldquoFuel Energy Saverrdquo (Figura 11) es un producto de la compantildeiacutea mexicana ldquoEnergy
Saverrdquo se trata de un inductor de resonancia magneacutetica de alta potencia que genera frecuencias
especiacuteficas la cual fractura las cadenas de hidrocarburos alineando y haciendo todas las moleacuteculas
maacutes accesibles al oxiacutegeno lo que se traduce en una mejor combustioacuten con el consiguiente ahorro
de combustible y reduccioacuten de contaminacioacuten [8] Es aplicable para cualquier tipo de combustible
(gas natural gas LP dieacutesel combustoacuteleo gasoacuteleo) y puede ser usado en todo equipo de iacutendole
industrial (hornos calderas calentadores secadores estufas)
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver
Algunas empresas del ramo automotriz (por ejemplo Mercedes Benz) estaacuten empleando el
principio del FES para que por medio un campo magneacutetico se orienten las moleacuteculas del
combustible y de oxiacutegeno antes de que eacutestas sean consumidas La explicacioacuten a este fenoacutemeno fue
dada por Kita amp Kulish [9] que consiste en lo siguiente el combustible se consumiraacute a medida que
haya oxiacutegeno disponible Si en lugar de que el oxiacutegeno se alimente de manera ldquodesordenadardquo eacuteste
pudiera ser orientado antes de entrar a la caacutemara de combustioacuten se lograriacutea un mejor consumo de
combustible-oxiacutegeno lo cual se traduce en mayor potencia en el motor y un mejor
aprovechamiento del combustible es decir habriacutea menor cantidad de contaminantes (NOx y CO2)
en el escape
6
Otro ejemplo del uso de campos magneacuteticos se puede encontrar en la formacioacuten de
calcaacutereos en intercambiadores de calor La industria que sufre de formacioacuten de dichos productos
tambieacuten ha encontrado beneficios con el uso de un campo magneacutetico colocado en el depoacutesito de
agua y se observa que los productos calcaacutereos se desvanecen tal como se aprecia en la Figura 12
La explicacioacuten a este efecto se atribuye nuevamente a la reorientacioacuten de las moleacuteculas dando como
consecuencia una estructura amorfa en lugar de una cristalina caracteriacutestica de los calcaacutereos [10]
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes (izq)
Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico aplicado
Por el lado de las investigaciones cientiacuteficas se tiene el anaacutelisis del efecto de un campo
magneacutetico de 12 T en la electrodeposicioacuten y estructura de las aleaciones cobalto-tungsteno con
ello Zielinski [11] pudo establecer que la aplicacioacuten del campo magneacutetico cambioacute la composicioacuten
quiacutemica y la morfologiacutea de las aleaciones Co-W
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas (izq) Con
campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
7
De la misma manera Ferreira y Colnago [12] estudiaron la influencia del campo magneacutetico
de una resonancia magneacutetica nuclear (RMN) durante la reaccioacuten electroliacutetica del cobre Sus
resultados fueron exitosos pues la reaccioacuten en presencia de un campo magneacutetico de 023 T tuvo
un rendimiento del doble que la de la reaccioacuten en ausencia de dicho campo
Finalmente pero no menos importantes Calivar [13] con su creacioacuten de modelos de
conveccioacuten magneacutetica en electrodeposicioacuten de peliacuteculas delgadas de cobre y tambieacuten Ispas [14]
con su estudio del efecto de un campo magneacutetico de 05 T en la electrodeposicioacuten de la aleacioacuten
Ni-Fe Ambos llegaron a la misma conclusioacuten un campo magneacutetico provoca una conveccioacuten en el
fluido el cual provoca una contribucioacuten adicional de masa-transporte
12 Generalidades
121 El campo magneacutetico
Se trata de un campo que ejerce fuerzas (denominadas magneacuteticas) sobre los materiales Es una
magnitud vectorial pero no produce ninguacuten efecto sobre cargas en reposo (como siacute lo hace el
campo eleacutectrico doacutende las acelera a traveacutes de la fuerza eleacutectrica) Sin embargo el campo magneacutetico
siacute tiene influencia sobre cargas eleacutectricas en movimiento [15]
Por ejemplo en el estado soacutelido si una carga en movimiento atraviesa un campo magneacutetico
la misma sufre la accioacuten de una fuerza magneacutetica que no modifica la velocidad pero siacute la
trayectoria Cabe mencionar que en el estado liacutequido o en el estado gaseoso el efecto del campo
magneacutetico no estaacute bien definido
Figura 14 El campo magneacutetico
8
La unidad de campo magneacutetico en el Sistema Internacional es el tesla (T) Un tesla se define
como el campo magneacutetico que ejerce una fuerza de 1 N (newton) sobre una carga de 1 C (coulomb)
que se mueve a velocidad de 1 ms dentro del campo
122 Definicioacuten de corrosioacuten
Se denomina corrosioacuten al ataque destructivo de un material generalmente metaacutelico por reaccioacuten
quiacutemica o electroquiacutemica con su medio ambiente (atmoacutesfera suelo agua etc)
La reaccioacuten baacutesica de corrosioacuten es
M Mn+ + ne-
De acuerdo con ello tambieacuten es posible definir la corrosioacuten desde un punto de vista maacutes
electroquiacutemico como el traacutensito de un metal de su forma elemental a su forma ioacutenica o combinada
con una respectiva cesioacuten de electrones [16] Dicho de otra manera el metal a traveacutes de la
corrosioacuten retorna a su forma combinada formando oacutexidos sulfuros hidroacutexidos etc Pues asiacute es
como los metales se encuentran habitualmente en la naturaleza por tratarse de formas
termodinaacutemicamente maacutes estables
El proceso de corrosioacuten es natural y espontaacuteneo y cuanto mayor es la energiacutea gastada en la
obtencioacuten del metal a partir del mineral tanto maacutes es la tendencia del metal a regresar a su forma
basal es decir mucho maacutes favorecida termodinaacutemicamente estaacute la reaccioacuten de oxidacioacuten
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten
Tradicionalmente se establecen dos procesos baacutesicos de ataques corrosivos atendiendo al medio
en el que se producen
Corrosioacuten seca
Corrosioacuten huacutemeda
1231 Corrosioacuten seca
Tiene lugar cuando el material se encuentra sometido a la accioacuten de gases principalmente a
temperaturas elevadas por lo que no se tiene un electrolito condensado Este tipo de corrosioacuten es
la que se produce en calderas sobrecalentadores reactores etc en la parte que estaacute en contacto
con los productos de combustioacuten
9
En la corrosioacuten seca los oacutexidos que se forman son de caraacutecter ioacutenico (cationes metaacutelicos y
aniones de oacutexido regularmente distribuidos) La estructura cristalina formada presenta
normalmente defectos reticulares (deficiencias ioacutenicas) a traveacutes de los cuales se produce la
difusioacuten de iones
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca
1232 Corrosioacuten huacutemeda
Tiene lugar cuando el material se encuentra en medios acuosos (Figura 16) Se produce
normalmente a temperatura ambiente o no muy elevada Es la maacutes extendida por cuanto afecta a
un sinfiacuten de elementos en los que el material es usado en tanques tuberiacuteas intercambiadores
precalentadores carcasas estructuras buques etc
Todos los procesos de corrosioacuten involucran transferencia de carga (iones y electrones) en
particular en el caso de corrosioacuten huacutemeda eacutesta se da a traveacutes de soluciones acuosas (electrolitos)
las cuales son eleacutectricamente conductoras En general el proceso requiere de tres etapas
1) Oxidacioacuten Los aacutetomos metaacutelicos aumentan su valencia al ceder electrones convirtieacutendose
en iones positivos los cuales pasan al electrolito
2) Transporte de carga Los electrones son transferidos al caacutetodo
3) Reduccioacuten Reaccioacuten donde se consumen los electrones generados en la oxidacioacuten
Este tipo de corrosioacuten es netamente electroquiacutemico ya que es un proceso en el que se llevan
a cabo reacciones de oxidacioacuten y de reduccioacuten de ahiacute que se conozca coacutemo proceso REDOX Cabe
mencionar que se puede favorecer una reaccioacuten u otra en caso de inclinarse por la oxidacioacuten
10
entonces se da la corrosioacuten y si es la reduccioacuten se puede proteger al metal por ejemplo con
electrodepoacutesitos
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda
124 Tipos de ataque por corrosioacuten
Es importante sentildealar que la corrosioacuten huacutemeda presenta dos tipos de ataque corrosioacuten uniforme y
corrosioacuten localizada
a) Corrosioacuten uniforme homogeacutenea o generalizada El ataque se extiende de forma
homogeacutenea sobre toda la superficie metaacutelica y por tanto la peacuterdida de material es
aproximadamente la misma en todos los puntos A este tipo de ataque se le identifica por
crecimiento 2D debido a que se desarrolla preferentemente a lo largo de la superficie Por
consiguiente es relativamente faacutecil estimar la vida uacutetil de los materiales metaacutelicos que lo
sufren
b) Corrosioacuten localizada El ataque no se distribuye de forma homogeacutenea localizaacutendose por
el contrario en determinadas zonas de la superficie metaacutelica A este tipo de ataque se le
conoce por crecimiento 3D debido a que se desarrolla de manera local dando preferencia a
la profundidad maacutes que a la superficie Dentro de este tipo de corrosioacuten existe a su vez
otra clasificacioacuten que se menciona a continuacioacuten
11
a Corrosioacuten por picadura
b Corrosioacuten por hendidura
c Corrosioacuten galvaacutenica
d Corrosioacuten intergranular
e Corrosioacuten bajo tensioacuten
f Corrosioacuten cavitacioacuten
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten
125 Celdas electroquiacutemicas
En corrosioacuten una celda es un dispositivo en el cual se producen reacciones quiacutemicas de oxidacioacuten
y reduccioacuten El aparato se integra de las siguientes partes sustancia que contiene iones (electrolito)
dos electrodos (caacutetodo y aacutenodo) y una conexioacuten eleacutectrica entre ambos electrodos
Existen dos tipos de celdas las electroliacuteticas que requieren un voltaje externo (fuente de
poder) y las electroquiacutemicas o galvaacutenicas que solamente necesitan un instrumento para registrar
voltaje Por lo cual se dice que las primeras son no espontaacuteneas y las segundas espontaacuteneas
Termodinaacutemicamente una reaccioacuten espontaacutenea presenta una energiacutea libre de Gibbs negativa y la
no espontaacutenea positiva tal como se aprecia en la Tabla 11
12
1251 Celda galvaacutenica
Una celda galvaacutenica (Figura 18) es aquella en la cual la energiacutea quiacutemica es convertida en energiacutea
eleacutectrica por medio de una reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea Esto se debe a que un metal es maacutes activo
y otro maacutes noble aacutenodo y caacutetodo respectivamente seguacuten la serie galvaacutenica por lo que al ser
conectados eleacutectricamente producen un flujo de electrones desde el caacutetodo al aacutenodo Dicho flujo
genera un potencial eleacutectrico que puede ser medido experimentalmente
Los requisitos para que se produzca un proceso de corrosioacuten en una pila galvaacutenica son los
siguientes
1 Dos superficies con distinto potencial electroacutedico
a Una de ellas que constituye al aacutenodo de la reaccioacuten al ceder electrones sufriraacute la
corrosioacuten Es decir aquiacute se lleva a cabo la reaccioacuten de oxidacioacuten Es el polo
negativo
Mdeg Mne- + ne-
b La otra que constituye el caacutetodo ganaraacute los electrones cedidos por el aacutenodo En
esta zona ocurriraacute la reaccioacuten de reduccioacuten Es el polo positivo
Mne- + ne- Mdeg
13
2 Un electrolito conductor ioacutenico que contiene los elementos caracteriacutesticos del medio
corrosivo Es justo aquiacute en el seno de la solucioacuten donde ocurre el transporte de materia
3 Una conexioacuten eleacutectricamente conductora entre el aacutenodo y el caacutetodo para que sea posible
el transporte de carga
Figura 18 Celda galvaacutenica
1252 Celda electroliacutetica
Las celdas electroliacuteticas no son espontaacuteneas por lo que debe aplicarse externamente un potencial
eleacutectrico para que funcionen Al proveer dicha energiacutea se fuerza a que una corriente eleacutectrica pase
por la celda con el fin de generar reacciones quiacutemicas de oacutexido-reduccioacuten en la superficie de los
electrodos de dicha celda Uno de los procesos maacutes conocidos es el electrodepoacutesito de metales
como cobre niacutequel o zinc Es importante puntualizar que aquiacute el aacutenodo estaraacute cargado
positivamente y el caacutetodo negativamente contrario a lo sucedido en las celdas galvaacutenicas
Las partes que conforman a la celda electroliacutetica son las siguientes
1 Electrolito Al igual que en las celdas galvaacutenicas se necesita de un conductor ioacutenico
2 Aacutenodo En este tipo de celdas el aacutenodo posee el polo positivo y aquiacute se lleva a cabo la
oxidacioacuten de la especie electroquiacutemica
3 Caacutetodo Eacuteste es el polo negativo y en eacutel se produce la reduccioacuten de la especie
electroquiacutemica
14
4 Fuente de energiacutea Es quien aplica la energiacutea necesaria para poder invertir el sentido
natural de la corriente dando lugar a una reaccioacuten quiacutemica opuesta a la que se produce
espontaacuteneamente en la pila
Figura 19 Celda electroliacutetica
13 Principios Electroquiacutemicos
131 Electrolitos
Todos los solutos que se disuelven en agua se agrupan en dos categoriacuteas electrolitos y no
electrolitos Un electrolito es una sustancia que cuando se disuelve en agua forma una disolucioacuten
capaz de conducir la electricidad Un no electrolito por lo tanto no conduce la corriente eleacutectrica
cuando se disuelve en agua
1311 Tipos de electrolitos
Los electrolitos se clasifican en fuertes y deacutebiles Los primeros son sustancias que estaacuten casi
completamente disociadas en la solucioacuten e incluyen soacutelidos ioacutenicos y aacutecidos fuertes Los uacuteltimos
poseen enlaces tan fuertes que muy difiacutecilmente se ionizan en solucioacuten permaneciendo la mayor
parte en forma de moleacuteculas las cuales no tienen la capacidad de transportar carga eleacutectrica como
lo hacen los iones Es importante mencionar que los electrolitos por buenos conductores de la
electricidad que puedan ser siempre tendraacuten menor capacidad para conducir la electricidad que los
materiales soacutelidos [17]
15
132 Ley de Ohm
Una de las maacutes importantes caracteriacutesticas eleacutectricas de un material soacutelido es la facilidad con que
transmite una corriente eleacutectrica La ley de Ohm relaciona la corriente (I) o sea el paso de carga
por unidad de tiempo con el voltaje aplicado (V) de la manera siguiente
V = IR
Donde R es la resistencia del material a traveacutes del cual pasa la corriente Las unidades de
V I y R son respectivamente voltios (V) amperios (A) y ohmios (Ω)
133 Leyes de Faraday
En electroquiacutemica es de suma importancia poder determinar la velocidad a la que ocurren las
reacciones de oacutexido-reduccioacuten cuando una corriente atraviesa una interfase soacutelido-electrolito pues
esto trae como consecuencia un transporte de materia resultado de la peacuterdida (oxidacioacuten) o
ganancia (reduccioacuten) de masa en el electrodo de trabajo
Cabe mencionar que las caracteriacutesticas superficiales del electrodo y las interacciones del
electrolito en dicha superficie son las que determinan la velocidad de reaccioacuten de un proceso
electroquiacutemico [18] Sin embargo hay tantos factores que pueden afectar directamente la velocidad
de reaccioacuten que por ello las leyes de Faraday solo son utilizables cuando el proceso controlador es
la transferencia de carga
Con las investigaciones del fiacutesico britaacutenico Michael Faraday (1791-1867) se descubrieron
las relaciones cuantitativas entre la cantidad de electricidad que pasa a traveacutes de una solucioacuten y la
cantidad de materia separada o precipitada en los electrodos Es decir con dichas expresiones es
posible calcular el transporte de materia en la interfase soacutelido-electrolito [16]
Primera Ley La masa de un ion liberado o depositado en un electrodo es proporcional a
la cantidad de electricidad que pase a traveacutes de la solucioacuten
Ec 11
16
m = 119868119905119875119860
119899119865
Donde PA es el peso atoacutemico la I la corriente en Amperes t el tiempo que pasa dicha carga
en segundos n el nuacutemero de equivalentes involucrados y F la constante de Faraday
Segunda Ley Las cantidades de sustancias liberadas o depositadas por una cantidad de
electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes Aplica cuando una misma
cantidad de electricidad atraviesa distintos electrolitos es decir cuando el proceso se lleva a cabo
en serie
1198981
1198901=
1198982
1198902
Donde m1 y m2 son las masas depositadas y e1 y e2 son los equivalentes quiacutemicos El
equivalente quiacutemico es la relacioacuten entre el peso atoacutemico y el nuacutemero de oxidacioacuten del compuesto
en cuestioacuten
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary
La ecuacioacuten de Stern-Geary establece la relacioacuten entre la densidad de corriente de corrosioacuten (icorr)
es decir la velocidad de corrosioacuten con la resistencia a la polarizacioacuten [19]
119894119888119900119903119903 = 119861
119877119875
119861 = 119887119886119887119888
2303 (119887119886 + 119887119888)
Donde ba y bc son las pendientes de Tafel anoacutedica y catoacutedica respectivamente
La constante B en la ecuacioacuten sirve para presentar una relacioacuten existente entre las
pendientes de Tafel Para que la ecuacioacuten de Stern-Geary sea aplicable es imperativo que exista
comportamiento tafeliano en el sistema electroquiacutemico
Ec 12
Ec 13
Ec 14
Ec 15
17
14 Control de la corrosioacuten
Baacutesicamente todos los meacutetodos que existen para lograr controlar la corrosioacuten de los materiales
metaacutelicos son intentos para interferir con el mecanismo de corrosioacuten de tal manera que se pueda
hacer que eacuteste sea lo maacutes ineficiente posible Dado que para que exista un proceso de corrosioacuten
debe formarse una pila o celda de corrosioacuten ademaacutes de una diferencia de potencial entre los
electrodos o zonas anoacutedicas y catoacutedicas la eliminacioacuten de alguno de los componentes esenciales
de la mencionada pila podriacutea llegar a detener el proceso [20]
En la praacutectica existen tres maneras de lograr lo anterior y enseguida se explicaraacute en queacute
consiste cada una Sin embargo es muy importante sentildealar que ninguacuten meacutetodo elimina la
corrosioacuten sino que todos disminuyen la velocidad de la reaccioacuten de oxidacioacuten ya que el metal
siempre buscaraacute la condicioacuten de miacutenima energiacutea que es la formacioacuten de oacutexidos e hidroacutexidos
141 Proteccioacuten catoacutedica
Se debe recordar que toda estructura propensa a corroerse presenta zonas catoacutedicas y anoacutedicas
siendo estas uacuteltimas aquellas aacutereas donde se lleva a cabo la corrosioacuten Pero si todas las aacutereas
anoacutedicas se pudieran convertir en catoacutedicas la estructura completa funcionariacutea como caacutetodo y la
corrosioacuten se disminuiriacutea considerablemente [21] Ese es el mecanismo de accioacuten de la proteccioacuten
catoacutedica y se puede llevar a cabo de dos maneras tal como lo muestra la Figura 110
Por corriente impresa La proteccioacuten se logra aplicando una corriente externa a partir de
un rectificador que suministra corriente continua de bajo voltaje El terminal positivo de la
fuente de corriente se conecta a un aacutenodo auxiliar (grafito por ejemplo) localizado a una
determinada distancia de la estructura a proteger y el terminal negativo se conecta a la
estructura metaacutelica
Por aacutenodos de sacrificio El metal a proteger se conecta a otro metal menos noble seguacuten
la serie galvaacutenica que actuaraacute como aacutenodo en la celda de corrosioacuten En ese caso la
estructura actuaraacute como caacutetodo y quedaraacute protegida por el ldquosacrificiordquo del aacutenodo que se
corroeraacute
18
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de sacrificio de
magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
142 Inhibidores de corrosioacuten
Los inhibidores son sustancias orgaacutenicas o inorgaacutenicas que se agregan a la solucioacuten corrosiva con
el fin de disminuir su poder de ataque y asiacute reducir la velocidad de corrosioacuten Se puede decir que
un inhibidor es un calmante de la corrosioacuten pues como ya se mencionoacute con anterioridad ninguacuten
meacutetodo la elimina en su totalidad
El comportamiento de los inhibidores puede ser muchas veces peligroso ya que en funcioacuten
de la concentracioacuten pueden jugar tanto el papel de inhibidores como de estimuladores de la
corrosioacuten [21]
Los hay de dos tipos aunque a veces se utiliza una combinacioacuten de ambos
1) Inhibidores anoacutedicos Actuacutean formando un compuesto insoluble el cual precipita en los
lugares afectados por la peacuterdida de materia evitando la reaccioacuten anoacutedica y por lo tanto
inhibe la corrosioacuten Ejemplos hidroacutexido soacutedico carbonato silicato y borato de sodio
ciertos fosfatos cromato soacutedico nitrito y benzoato de sodio etc
2) Inhibidores catoacutedicos Actuacutean sobre toda la superficie formando una capa o peliacutecula de
alta resistencia eleacutectrica la cual funciona como una barrera para la corriente de corrosioacuten
Ejemplos sulfato de zinc sulfato de magnesio bicarbonato de calcio etc
143 Recubrimientos protectores
Los recubrimientos representan la primera liacutenea en la lucha contra la corrosioacuten Los recubrimientos
sea cual fuere su tipo no mejoran las caracteriacutesticas mecaacutenicas del elemento sin embargo
preservan su resistencia e integridad Sus objetivos pueden ser variados siendo el principal aislar
la estructura del medio agresivo con el que se encuentra en contacto (agua suelo y atmoacutesfera por
lo general) aunque tambieacuten cumplen en ocasiones fines cosmeacuteticos
19
En general se emplean bajo condiciones muy amplias como puede ser exposicioacuten
atmosfeacuterica inmersioacuten en agua estructuras enterradas elementos sometidos a quiacutemicos etc Los
recubrimientos representan la uacuteltima etapa de los procesos de fabricacioacuten de cualquier pieza
sistema o equipo siendo normalmente aplicados antes del ensamble [21] Existe por lo tanto una
amplia gama de materiales que pueden ser utilizados como recubrimientos de los metales
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos
Orgaacutenicos Los recubrimientos orgaacutenicos son poliacutemeros y resinas producidas en forma
natural o sinteacutetica generalmente formulados para aplicarse como liacutequidos que se secan o
endurecen como peliacuteculas delgadas en materiales del sustrato Por ejemplo las pinturas
Inorgaacutenicos Los recubrimientos inorgaacutenicos proporcionan acabados tersos y maacutes
duraderos los maacutes usados son el vidrio y los ceraacutemicos
Metaacutelicos Los recubrimientos metaacutelicos se aplican mediante capas finas que funcionen
como aacutenodos sacrificables que puedan ser corroiacutedos en lugar del metal subyacente Por
ejemplo Niquelado cromado galvanizado electroliacutetico inmersioacuten en caliente etc
15 Galvanoplastia
La galvanoplastia es una teacutecnica que proporciona un recubrimiento metaacutelico a una estructura que
deseamos proteger El elemento adherido modifica las propiedades superficiales del material sobre
el cual se depositan promoviendo caracteriacutesticas que son imposibles de obtener en el metal base
Es un meacutetodo que se fundamenta en la electroacutelisis para asiacute cubrir un metal base con un fina
capa de otro metal ya sea cobre niacutequel cromo oro plata con el fin de embellecerlo o impartirle
resistencia a la corrosioacuten
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten
La electrodeposicioacuten puede ser de un solo metal de capas de diferentes metales o de una aleacioacuten
(por ejemplo latoacuten) Los metales maacutes utilizados para electrodepoacutesito son en orden de importancia
zinc niacutequel estantildeo y cadmio [22] Tambieacuten es usual recubrir con oro plata y platino En el caso
de aleaciones es comuacuten la aplicacioacuten de Babbitts (aleaciones Pb-Sn) Es conveniente mencionar
que la mayoriacutea de los metales se pueden depositar por eacuteste procedimiento
20
En teacuterminos simples este proceso consiste en la inmersioacuten de la parte a recubrir en un
electrolito que contenga iones del metal a depositar para asiacute proceder al paso de una corriente
directa que permita el depoacutesito en la pieza (caacutetodo) donde los iones son repuestos por la accioacuten de
la propia corriente sobre el aacutenodo
Pero iquestcoacutemo sucede realmente el fenoacutemeno de la electrodeposicioacuten A continuacioacuten se
daraacute una explicacioacuten maacutes detallada sin embargo solo las reacciones en el caacutetodo seraacuten presentadas
ya que en general las reacciones en un aacutenodo soluble seraacuten las inversas de aquellas presentes en
el caacutetodo
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre
Suponga una solucioacuten de una sal metaacutelica tal como el sulfato de cobre (Figura 111) la sal
se disocia considerablemente formando cationes cargados positivamente y aniones cargados
negativamente como ya se ha mencionado anteriormente El agua presente se disocia un poco para
formar iones hidroacutegeno e hidroxilo Todo aacutecido sulfuacuterico presente se disocia tambieacuten en iones
hidroacutegeno y en iones ya sea HSO4- o ya sea SO4
-2 La mayor parte de estos iones estaacuten hidratados
o sea que se encuentran combinados con una o maacutes moleacuteculas de agua
Cuando se aplica un potencial a dos electrodos en una solucioacuten asiacute los cationes cargados
positivamente emigran hacia el caacutetodo y los aniones negativos se mueven hacia el aacutenodo En una
solucioacuten acidificada la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es relativamente alta y la de los iones
hidroxilo es muy baja En virtud de que los iones hidroacutegeno se mueven maacutes raacutepidamente que los
iones cobre la mayor parte de la corriente es llevada hacia el caacutetodo por los iones hidroacutegeno Sin
embargo es maacutes faacutecil descargar los iones cobre asiacute que praacutecticamente toda la corriente que se usa
en el caacutetodo es para depositar cobre
21
Es difiacutecil representar el proceso implicado en el depoacutesito real de un metal sobre el sustrato
El caacutetodo se encuentra cargado negativamente o sea tiene una concentracioacuten de electrones
relativamente alta los cuales siempre aprovechan la oportunidad de combinarse con iones cargados
positivamente para asiacute formar los aacutetomos metaacutelicos
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel
El niacutequel (Ni) es un elemento quiacutemico de nuacutemero atoacutemico 28 situado en el grupo 10 de la tabla
perioacutedica de los elementos Es un metal blanco plateado duro maleable y duacutectil que puede
presentar un intenso brillo
Como elemento aleante proporciona resistencia tenacidad y proteccioacuten contra la corrosioacuten
El uso principal del niacutequel como metal es en la electrodeposicioacuten de piezas ya que funge como
protector corrosivo y de desgaste ante otros materiales que suelen ser maacutes susceptibles
ambientalmente tal como el hierro o el acero ademaacutes de embellecer la superficie El niacutequel es un
metal muy poco activo y bajo casi todas las condiciones tiende a resistir manchas y oxidacioacuten [23]
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel
Normalmente los galvanizados de niacutequel se hacen a partir de soluciones aacutecidas variando en un
rango de pH de 15 a 60 Una excepcioacuten es el uso de un bantildeo alcalino amoniacal de niacutequel con un
pH cerca de 9 [22]
A pesar de las muchas foacutermulas de bantildeos de niacutequel casi todas ellas contienen tres componentes
esenciales
Sulfato de niacutequel Constituye la principal fuente de iones niacutequel ademaacutes de controlar los
liacutemites admisibles de densidad de corriente
Cloruro de niacutequel Suministra los iones cloruros necesarios para asegurar la corrosioacuten de
los aacutenodos de niacutequel Tambieacuten es una fuente secundaria de iones niacutequel
Aacutecido boacuterico Actuacutea como agente tampoacuten y para conservar la adhesioacuten del depoacutesito de
niacutequel
A continuacioacuten se enlistan las teacutecnicas principales que se utilizan en los depoacutesitos de niacutequel
[22] Cabe mencionar que las concentraciones exactas y las condiciones de operacioacuten pueden
modificarse pero los valores que se dan pueden servir de guiacutea
22
1 Niacutequel a bantildeo friacuteo diluido
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 09 120 16
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Fluoruro de amonio NH4F 057 65 87
2 Bantildeo caliente Tipo Watts
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 04 45 6
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
pH para operacioacuten a un alto pH 45-55 a un bajo pH 15-30
Temperatura 43deg C (110 degF)
Densidad de corriente 2-7 ampdm2 (20-65 ampft2)
3 Bantildeo de alto sulfato
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 05 70 9
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Sulfato de sodio Na2SO4 10 160 22
Aacutecido boacuterico H3BO3 025 M 15 2
pH 55
Temperatura 20-30 degC (68-86 degF)
Densidad de corriente 15-30 ampdm2 (14-28 ampft2)
4 Bantildeo brillante de niacutequel-cobalto
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
23
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 038 45 6
Sulfato de cobalto CoSO4 7H2O 011 15 2
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
Sulfato de amonio (NH4)2SO4 004 25 03
Formato de niacutequel Ni(COOH)2 067 50 67
Formaldehiacutedo HCHO (40) 25 03
pH 45
Temperatura 55 degC (131 degF)
Densidad de corriente 3 ampdm2 (28 ampft2)
1522 Condiciones de operacioacuten
El caraacutecter del depoacutesito depende de varios factores incluyendo la temperatura la densidad de
corriente el pH la distancia entre los electrodos y la agitacioacuten los cuales se ajustan para producir
recubrimientos gruesos o delgados mates o brillantes suaves o duros duacutectiles o fraacutegiles [22] Cabe
mencionar que los valores oacuteptimos para cada factor variacutean de acuerdo con el tipo del bantildeo por lo
que no es posible dar cifras determinadas En su lugar se indicaraacuten los efectos sobre el caraacutecter de
los depoacutesitos obtenidos
pH La eleccioacuten de pH es regida por el tipo de bantildeo y las propiedades que se desean en el
depoacutesito En general en bantildeos de niacutequel opaco un aumento en el pH especialmente arriba de 50
produce depoacutesitos maacutes duros probablemente como resultado de mayor precipitacioacuten
Reciacuteprocamente los depoacutesitos de bajo pH seraacuten probablemente suaves
Temperatura La ventaja de aplicar altas temperaturas depende de varios factores
incluyendo (1) maacutes elevada solubilidad del niacutequel u otras sales (2) mayor conductividad (3)
reducida polarizacioacuten en ambos electrodos y (4) aumento de eficiencia en el aacutenodo y caacutetodo
Aunque de igual manera se pueden presentar ciertas desventajas (1) aumento de la tendencia a la
precipitacioacuten de impurezas (2) la propensioacuten a coagular agentes abrillantadores (3) vaporizacioacuten
excesiva (4) produccioacuten de depoacutesitos pasivos y (5) menor potencia de depoacutesito
Densidad de corriente La densidad de corriente es dependiente de los dos factores
anteriores A temperatura ambiente especialmente en bantildeos diluidos se emplean densidades de
24
corriente de 5 a 20 Aft2 (05 a 2 Adm2) En bantildeos maacutes fuertes y calientes se pueden usar
densidades de corriente hasta de 60 Aft2 (6 Adm2)
Agitacioacuten El efecto de la agitacioacuten equivale a un aumento en concentracioacuten de niacutequel y a
una disminucioacuten de pH lo que permite densidades de corriente maacutes altas Una desventaja de la
agitacioacuten raacutepida en los bantildeos de niacutequel es que con el movimiento suben a la superficie las partiacuteculas
suspendidas lo que trae consigo un depoacutesito aacutespero
Distancia entre electrodos La elaboracioacuten de recubrimientos con espesor uniforme
depende tambieacuten de la propia disposicioacuten y espacio adecuado de las piezas de trabajo aacutenodo y
caacutetodo Por lo que entre maacutes cercana esteacute la superficie a recubrir del aacutenodo mayor seraacute el espesor
del depoacutesito obtenido
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel
Las propiedades fiacutesicas del niacutequel electrodepositado son de especial intereacutes porque hay una gran
variedad de propiedades el control de las cuales de las cuales crea aplicaciones especiales del
niacutequel por ejemplo en electroformacioacuten Las siguientes propiedades son para depoacutesitos opacos de
niacutequel [22]
Dureza Esta variacutea en los diferentes depoacutesitos de niacutequel cerca de 130 a 430 HB En el bantildeo
tipo Watts se obtuvo un miacutenimo de dureza a un pH de 3 obtenieacutendose depoacutesitos maacutes duros abajo
y arriba de este liacutemite Los depoacutesitos maacutes duros se obtienen con un alto pH
Resistencia a la tensioacuten En general la resistencia a la tensioacuten es casi paralela a la dureza
y va de 56 000 a 160 000 lbplg2 (3 900 a 11 000 kgcm2)
Ductilidad La ductilidad medida por elongacioacuten es casi inversamente proporcional a la
dureza y a la resistencia a la tensioacuten
Resistividad eleacutectrica La resistividad eleacutectrica del niacutequel depositado es influenciada por el
contenido de inclusiones como el oacutexido y el cobalto Se presenta un poco en un pH 3
Composicioacuten Los depoacutesitos de niacutequel contienen oxiacutegeno e hidroacutegeno probablemente
presentes como compuestos baacutesicos del niacutequel como Ni(OH)2 El cloruro puede estar presente en
los depoacutesitos de todos los bantildeos de cloruro Estas inclusiones indudablemente tienen influencia en
la dureza y resistencia a la tensioacuten
25
1524 Niquelado en diferentes metales base
Debido a que el niacutequel es el maacutes extensamente aplicado a numerosos metales base solo algunos
ciclos empleados seraacuten considerados en esta seccioacuten [22]
Niquelado en acero El niacutequel puede ser depositado directamente sobre acero o sobre una
capa delgada o gruesa de cobre Debido a numerosas pruebas de corrosioacuten y a lo demostrado por
la experiencia se sabe que las capas de cobre ejercen menos proteccioacuten que una densidad igual de
niacutequel por lo tanto la tendencia actual es eliminar el cobre
Niquelado en hierro vaciado La dificultad de galvanizar sobre hierro vaciado estaacute
indudablemente asociada con la presencia de carbono liberado o grafito en el hierro Si eacuteste
permanece parcialmente embebido el niacutequel no se deposita tan faacutecilmente sobre el carboacuten o
carburos como en los cristales de hierro Por ello se utiliza una capa de cobre ya que mejora la
adhesioacuten del niacutequel al hierro vaciado La limpieza catoacutedica en caacuteustico fundido es algunas veces
efectiva y la saturacioacuten en aacutecido fluorhiacutedrico puede ayudar Por buena que sea la adhesioacuten del
niacutequel al hierro vaciado no es tan buena como en el acero
Niquelado en cobre y latoacuten La praacutectica maacutes comuacuten es aplicar el niacutequel directamente al
cobre o latoacuten seguido por la acostumbrada capa de cromo Ha sido demostrado concluyentemente
que las capas de cromo aplicadas directamente al latoacuten dan menos proteccioacuten contra la corrosioacuten
que cuando se aplica primero una capa de niacutequel
Niquelado en zinc y vaciados con base de zinc Se ha confirmado por muchas pruebas que
las capas adherentes de niacutequel pueden ser aplicadas directamente a troquelados de zinc usando un
alto-sulfato en bantildeo de niacutequel El principio de este bantildeo es la adicioacuten de suficiente sulfato de sodio
para reducir la actividad del ion niacutequel y aumentar la polarizacioacuten del caacutetodo De este modo se
evita que el zinc pase a la solucioacuten precipitando niacutequel oscuro Este bantildeo de alto sulfato de niacutequel
tiene una excelente conductividad y potencia de depoacutesito
Niquelado en magnesio El galvanizado de niacutequel u otros metales en magnesio o sus
aleaciones se hace difiacutecilmente por la alta actividad del magnesio y su consecuente tendencia a
depositar niacutequel u otros metales pesados por inmersioacuten Debido a la gran diferencia de potenciales
de solucioacuten del magnesio y de metales como el cobre niacutequel o cromo eacutestos pueden galvanizarse
sobre el magnesio cuya corrosioacuten se acelera raacutepidamente si hay algunos poros o discontinuidad en
26
los recubrimientos Mientas no se pueda demostrar que pueden producirse y mantenerse
recubrimientos electroliacuteticos casi impenetrables en el magnesio y sus aleaciones es de dudarse que
estos galvanizados puedan tener una aplicacioacuten industrial
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de materiales consiste en la obtencioacuten de informacioacuten acerca de un material
bajo estudio (composicioacuten estructura morfologiacutea y otras propiedades) a partir de la interaccioacuten de
una sentildeal (eleacutectrica luminosa teacutermica etc) con una porcioacuten de dicho material Por tanto toda
caracterizacioacuten de un material supone una agresioacuten es decir una perturbacioacuten del mismo El
estudio de la respuesta del material a dicha perturbacioacuten tiene la finalidad de dar a conocer las
propiedades del mismo para asiacute predecir si seraacute uacutetil o no en una determinada aplicacioacuten
Se puede asegurar que la ayuda de las nuevas teacutecnicas de caracterizacioacuten y anaacutelisis ha sido
indispensable en el disentildeo siacutentesis y procesado de estos materiales permitiendo un cuidadoso
control de sus propiedades e incluso en muchos casos con la posibilidad de fijar de antemano
alguna de sus caracteriacutesticas
161 Dureza
La dureza es una propiedad de los materiales soacutelidos y se define como la resistencia que oponen
estos materiales a ser deformados Una buena dureza significa generalmente que el material es
resistente al rayado y al desgaste [23]
1611 Ensayo de dureza Vickers
Este ensayo usa un indentador en forma de piraacutemide hecho de diamante Figura 112 (a) El ensayo
se basa en el principio de que las impresiones hechas por este indentador tienen geometriacuteas
similares independientemente de la carga aplicada En consecuencia se aplican varias cargas
dependiendo de la dureza del material a ensayar [24] la dureza Vickers se determina entonces con
la foacutermula
HV = 1854 119865
1198632
Donde F es la fuerza aplicada en kgf y D es la diagonal de la impresioacuten hecha por el
indentador en mm El ensayo Vickers puede usarse para todos los metales porque cuenta con una
de las escalas maacutes amplias entre los ensayos de dureza
Ec 16
27
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante un ensayo de dureza
162 Rugosidad
El acabado superficial de los cuerpos puede presentar errores de forma macro y micro geomeacutetricos
auacuten las superficies consideradas como ldquomuy lisasrdquo muestran cuando son analizadas a escala
sumamente fina una compleja diversidad de particularidades geomeacutetricas [25] Por lo tanto la
rugosidad es el conjunto de irregularidades en una superficie real
1621 El perfiloacutemetro
El rugosiacutemetro o perfiloacutemetro es por mucho el equipo maacutes utilizado en la industria para medir la
rugosidad de componentes comunes El principio de operacioacuten de este equipo es simple una fina
punta en contacto con la superficie a analizar realiza un barrido controlado en liacutenea recta y las
variaciones de alturas se convierten en sentildeales eleacutectricas que son debidamente registradas
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro
28
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB)
En el microscopio electroacutenico de barrido se construyen imaacutegenes aprovechando la emisioacuten de
electrones (electrones secundarios) de una muestra cuando sobre ella incide un haz enfocado de
electrones de alta energiacutea La muestra tambieacuten emite rayos X los cuales pueden ser analizados para
obtener informacioacuten sobre la composicioacuten del material [26] Cada sentildeal del MEB es captada con
un detector apropiado
Los electrones emitidos por la interaccioacuten del haz incidente y la muestra son colectados por
los correspondientes detectores para producir una sentildeal eleacutectrica la cual se utiliza para modular la
intensidad de un haz de electrones que incide en la pantalla de un tubo de rayos catoacutedicos (TRC)
de manera que mediante un barrido sincronizado del haz incidente en la superficie de una muestra
y del haz incidente en la pantalla del TRC se produce la imagen de la muestra [26]
La emisioacuten de electrones y de rayos X de la muestra se origina por las colisiones de
electrones del haz incidente con electrones de los aacutetomos del material de la probeta tal como se
puede observar en la Figura 114
Algunas colisiones son elaacutesticas de modo que algunos electrones del haz primario pueden
salir de la superficie de la muestra sin una significativa peacuterdida de energiacutea estos son los llamados
electrones reflejados Pero la mayoriacutea de las colisiones son inelaacutesticas y entre otros efectos
originan emisioacuten de electrones de baja energiacutea conocidos como electrones secundarios
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y fotones por la
interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
29
1631 Componentes baacutesicos del MEB
Cantildeoacuten de electrones que produce un haz con energiacutea entre 5 keV y 30 keV con un diaacutemetro
efectivo entre 01 microm y 10 microm
Lentes electromagneacuteticas condensadoras que reducen el diaacutemetro del haz de manera que en
la superficie de la muestra se tiene un diaacutemetro apropiado al aumento de la imagen
Apertura final la cual controla la divergencia del haz incidente en la muestra
Una lente objetivo que enfoca el haz en la superficie de la muestra
Sistema de barrido el cual permite la construccioacuten de la imagen en la pantalla del TRC por
el barrido del haz en la superficie de la muestra
Detectores de sentildeales emitidas por la muestra (Electrones secundarios electrones
reflejados rayos X etc)
Tubo de rayos catoacutedicos para presentacioacuten de la imagen
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica es una teacutecnica relativamente nueva que permite obtener
imaacutegenes de superficies a escala molecular [27] El microscopio consta esencialmente de una punta
de Si3N4 montada sobre un fleje Con esta punta se realiza un barrido sobre la superficie de la
muestra la cual se situacutea sobre un escaacutener piezoeleacutectrico El funcionamiento del microscopio se
basa en el control por un ordenador de la fuerza ejercida por la punta durante el barrido (Ver Figura
30
116) En el modo denominado de contacto la fuerza punta-muestra se mantiene constante
mediante un sistema de retroalimentacioacuten basado en los siguientes puntos
1) La variacioacuten de la fuerza punta-muestra se traduce en movimientos verticales y horizontales
del fleje que hacen variar la direccioacuten de un rayo laacuteser incidente sobre eacutel Estos cambios en
la direccioacuten del laacuteser son recogidos por un fotodetector y analizados por un ordenador
2) Los aumentos o disminuciones de fuerza son compensados por el ordenador que enviacutea una
sentildeal al piezoeleacutectrico para que acerque o aleje la muestra a la punta
3) Tanto las variaciones del haz luminoso como los movimientos controlados del
piezoeleacutectrico son convertidos por el ordenador en un mapa topograacutefico de la superficie
Figura 116 Funcionamiento de un MFA
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX)
El meacutetodo de difraccioacuten por rayos X es una herramienta poderosa para investigar la disposicioacuten
ordenada de los aacutetomos o moleacuteculas por medio de la interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica
para producir efectos de interferencia con estructuras comparables en tamantildeo a la longitud de onda
de la radiacioacuten
31
Al igual que con los tipos de radiacioacuten electromagneacutetica la interaccioacuten entre el vector
eleacutectrico de la radiacioacuten X y los electrones de la materia que atraviesa da lugar a una dispersioacuten
Cuando los rayos X son dispersados por el entorno ordenado de un cristal tienen lugar
interferencias (constructivas y destructivas) entre los rayos dispersados ya que las distancias entre
los centros de dispersioacuten son del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la radiacioacuten
La teacutecnica de difraccioacuten de rayos X aplicada al estudio de materiales permite obtener
informacioacuten importante sobre distintos aspectos de los mismos Para recubrimientos [28] eacutesta
teacutecnica es imprescindible para determinar
Tipo de estructura (FCC HCP etc)
Esfuerzos residuales
Microdeformaciones
Tamantildeo de grano
Fases presentes
Proporcioacuten relativa de las fases
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X
El fenoacutemeno de difraccioacuten es la interferencia entre las ondas que se genera cuando hay un objeto
en su trayecto Para comprender mejor esto supoacutengase dos planos reticulares 1 y 2 tal como en la
Figura 117 de un cristal con una distancia d entre ambos converge un haz de rayos X procedente
de A con un aacutengulo de incidencia θ este haz en parte se refleja sobre el primer plano hacia F y
en parte atraviesa y se refleja sobre el plano 2 hacia F3 y asiacute sucesivamente sobre los otros planos
[29]
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X
32
En el punto D se sobrepone un rayo reflejado por el primer plano reticular y el otro del
segundo cuya diferencia de camino despueacutes de la reflexioacuten es CD-ED Si tal diferencia es un
muacuteltiplo entero n de la longitud de onda λ de la radiacioacuten X los dos rayos en D estaraacuten en
concordancia de fase y sobreponieacutendose aumentaraacute su intensidad
Por el contrario si estaacuten en discordancia tenderaacuten a anularse Para que se verifique esta
condicioacuten es necesario que las magnitudes λ d θ y n satisfagan la relacioacuten de la Ley de Bragg
nλ = 2 d sen θ
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP)
La teacutecnica electroquiacutemica llamada Resistencia a la Polarizacioacuten es el resultado de la aproximacioacuten
de bajo campo a la ecuacioacuten de Butler-Volmer y por este motivo se debe aplicar solamente cuando
exista control activacional o por transferencia de carga
Los materiales que son susceptibles de ser evaluados mediante la aplicacioacuten de la RP deben
estar inmersos en electrolitos conductores es decir que la resistividad de las soluciones no sea alta
y deben encontrarse libres de peliacuteculas resistivas
1661 Procedimiento experimental
Para realizar un estudio experimental de Resistencia a la Polarizacioacuten lo mejor es acudir a la norma
ASTM G 59-91 [32] En general los pasos a seguir de acuerdo a la norma son los siguientes
Usar un puente salino que acerque el electrodo de referencia a 2 o 3 mm de la superficie
del electrodo de trabajo
Registrar el potencial de corrosioacuten despueacutes de 5 minutos
Aplicar un potencial 30 mV maacutes negativo que el potencial registrado
Un minuto despueacutes de que se aplique el potencial se inicia un barrido con direccioacuten anoacutedica
a 06 Vh (10 mVmin) registrando el potencial y la corriente continuamente
Terminar el barrido cuando se alcanza un valor de 30 mV positivo que el potencial de
corrosioacuten
Graficar la curva de polarizacioacuten
Determinar graacuteficamente la resistencia a la polarizacioacuten como la tangente a la curva en el
origen de la graacutefica
Ec 17
33
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE)
La teacutecnica de Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica es un meacutetodo electroquiacutemico
utilizado en estudios de corrosioacuten el cual se basa en el uso de una sentildeal de corriente alterna (CA)
que es aplicada a un electrodo (metal en corrosioacuten) y determinando la respuesta correspondiente
En el procedimiento experimental comuacutenmente utilizado se aplica una sentildeal sinusoidal de
voltaje y se mide su respuesta en corriente a diferentes frecuencias aunque es posible aplicar una
pequentildea cantidad de corriente y medir la respuesta del potencial El voltaje la corriente y la
frecuencia son relacionadas por la impedancia en una forma anaacuteloga a la ley de Ohm
V = IZ
Donde Z es la impedancia del circuito A diferencia de la resistencia la impedancia de un
circuito puede depender de la frecuencia aplicada
Cuando se aplica una sentildeal de CA incluso en un sistema de corrosioacuten sencillo se comporta
de manera maacutes complicada que una sola resistencia Pues existe tambieacuten una capacitancia la de la
doble capa electroquiacutemica (Cdl) que es debida a la carga de las especies existentes en la interfase
metal-electrolito y que se encuentra presente en todos los sistemas corrosivos Ademaacutes estaacute la
resistencia de la solucioacuten (Rs) para que se le permita La combinacioacuten de estos tres componentes
proporciona un circuito equivalente simple para un metal que se corroe Dicho circuito es una
combinacioacuten de elementos eleacutectricos tales como resistores y capacitores lo que da la misma
respuesta a sentildeales eleacutectricas como el metal real que se corroe [30] El circuito simple descrito
anteriormente se muestra en la Figura 118
Figura 118 Circuito equivalente simple
Los espectros de impedancia se pueden utilizar para identificar y cuantificar las
capacitancias en el sistema y para separar diferentes resistencias por ejemplo la resistencia de la
solucioacuten y la resistencia a la polarizacioacuten A altas frecuencias la resistencia de la solucioacuten se puede
cuantificar A frecuencias maacutes bajas los diferentes tipos de procesos se producen en diferentes
Ec 18
34
escalas de tiempo (en diferentes frecuencias) y puede ser posible identificar los procesos de
difusioacuten o los fenoacutemenos de adsorcioacuten y desorcioacuten [3031]
1671 Representaciones graacuteficas
Solamente existen dos maneras de representar los valores experimentales de la espectroscopia de
impedancia electroquiacutemica
1 Diagramas de Nyquist Tipo de representacioacuten maacutes comuacuten que consiste en graficar los
valores de la impedancia real frente a los de la impedancia imaginaria Estos diagramas
permiten identificar la resistencia del electrolito la resistencia a la transferencia de carga y
la resistencia a la polarizacioacuten [3031] en la mayor parte de los casos La Figura 119
muestra un ejemplo de este tipo de diagramas
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist
2 Diagramas de Bode En este tipo de representaciones se pueden obtener dos diagramas el
moacutedulo de la impedancia y el aacutengulo de fase (Figura 120) Tambieacuten en funcioacuten de la parte
real o la imaginaria pero en escala logariacutetmica Ambos graacuteficos son particularmente uacutetiles
cuando existen constantes de tiempo con valores muy proacuteximos que no se pueden distinguir
en los diagramas de Nyquist
35
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b) Moacutedulo de
impedancia
1672 Ecuacioacuten de Brug
Como bien se sabe el objetivo de los experimentos de EIS es a menudo extraer la capacitancia de
las peliacuteculas (posiblemente como una funcioacuten del potencial aplicado) y por lo tanto para obtener
informacioacuten sobre las propiedades dieleacutectricassemi-conductoras de dichas peliacuteculas Sin embargo
en diversos sistemas la estimacioacuten de la capacitancia es difiacutecil debido a que un comportamiento
de elemento de fase constante (CPE) se observa en lugar de un comportamiento capacitivo
Brug [33] propuso una foacutermula (Ec 19) que relaciona la resistencia del electrolito (Re) y
la resistencia a la transferencia de carga (Rtc) donde es posible calcular la capacitancia contenida
en el CPE
119862 = 1198761
120572[119877119890minus1 + 119877119905119888minus1]1minus120572
120572
Donde C es la capacitancia Q es el factor de Brug Re es la resistencia del electrolito Rtc
es la resistencia a la transferencia de carga y α es la pendiente de la impedancia calculada a bajas
frecuencias
Ec 19
36
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental
21 Preparacioacuten superficial de muestras
A partir de una laacutemina de acero 1018 de 150 x 1 m se cortaron 48 placas de 10 x 2 cm cada una
con una cizalla ya que se necesitaba que cada muestra fuera perfectamente paralela para el proceso
de electrodeposicioacuten
Las placas de acero presentaban una capa de oacutexido por lo que se siguioacute la norma ASTM
G1 [34] para decapar cada muestra durante 10 minutos en HCl al 50 (Ver figura 21) para
posteriormente lavarse con agua potable y asiacute pasar al lijado con granulometriacutea 180 240 320 400
y 600 Seguido de un lavado con agua destilada para eliminar residuos de material removido y
finalizando con un bantildeo de acetona para retirar cualquier resto de humedad y grasa
Figura 21 Decapado de muestras
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos
Para los electrodepoacutesitos con influencia de un campo magneacutetico se utilizaron dos imanes de
neodimio sin embargo no teniacutean sentildealizacioacuten alguna para diferenciar sus polos ni se conociacutea el
valor del campo Entonces se utilizoacute una bruacutejula para determinar el norte y sur de cada imaacuten asiacute
como se aprecia en la Figura 22
37
Figura 22 Determinacioacuten de los polos
Y el campo magneacutetico se midioacute con un gausiacutemetro Marca RFL modelo 91 (Figura 23)
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico
23 Preparacioacuten del electrolito
Para el proceso de electrodeposicioacuten se empleoacute un bantildeo Watts estaacutendar [35] cuya composicioacuten se
presenta en la Tabla 21
38
Para la deposicioacuten electroliacutetica sin campo se preparoacute un litro de solucioacuten y para la que teniacutea
influencia de campo magneacutetico se hicieron dos litros
24 Obtencioacuten de recubrimientos
Para las electrodeposiciones se utilizoacute una fuente de poder marca Good Will Instrumets modelo
GPR-3510HD En cuya terminal negativa se conectoacute el caacutetodo (acero 1018) y en la positiva el
aacutenodo (niacutequel soacutelido Figura 24) Ambos electrodos se colocaron paralelamente cara con cara
Figura 24 Rondelas de niacutequel
Los electrodepoacutesitos de niacutequel sobre acero 1018 con y sin influencia de campo magneacutetico
se llevaron a cabo a voltaje constante siendo eacuteste de 4 V midiendo la corriente resultante al
finalizar el proceso las muestras se lavaron con agua destilada y se dejaron secar al ambiente Se
realizaron seis condiciones diferentes tal como lo muestra la Tabla 22
En el caso de los electrodepoacutesitos en presencia de campo magneacutetico se utilizaron dos
imanes de Neodimio (Valor fluctuante de 15 a 34 T) los cuales se instalaron en la cuba
electroliacutetica el polo norte cerca del aacutenodo y el polo sur del caacutetodo tal como lo muestra la Figura
25
39
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con imanes de
neodimio
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos
Las muestras electrodepositadas con y sin presencia de campo magneacutetico se fijaron a una celda
de acriacutelico con un aacuterea de exposicioacuten de 133 cm2 en dicha celda se vertioacute una solucioacuten de NaCl
al 3 en peso se colocoacute una tapa y se introdujeron un electrodo de referencia de AgAgCl y un
contra-electrodo de grafito Dicha celda se conectoacute a un potenciostato marca Bio-logic modelo
SP-150 controlado mediante una computadora de escritorio con su respectivo software El
dispositivo utilizado para las pruebas se puede ver en la Figura 26a
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el electrodo de
referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo (ET)
40
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
Se utilizoacute la teacutecnica de RP en modo potenciodinaacutemico en un intervalo de plusmn 20 mVEcorr a una
velocidad de barrido de 01667 mVs haciendo la respectiva curva de polarizacioacuten mediante la
computadora Previo a esto el electrodo de trabajo se dejoacute estabilizar en el electrolito (NaCl al 3
peso) durante 30 minutos
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica
Al teacutermino de la medicioacuten de la RP el electrodo de trabajo se dejoacute a circuito abierto durante 15
minutos Posteriormente se utilizoacute la teacutecnica EIE en un intervalo de frecuencias de 50 kHz a 50
mHz a 7 puntos por deacutecada y 10 mV de perturbacioacuten
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos
Para la caracterizacioacuten superficial las placas se cortaron en una maacutequina dobladora a una medida
de 2 x 2 cm para asiacute poder ingresar a ciertos equipos Se eligioacute una muestra de cada condicioacuten
tanto con y sin influencia de campo magneacutetico
261 Dureza
Los estudios de dureza fueron obtenidos con un microduroacutemetro de Vickers marca
Mitutoyo Colocando las placas en el portamuestras del microscopio se hizo incidir el indentador
de diamante aplicando una carga de 10 kgf durante 20 s para un acero suave [36] Este
procedimiento se realizoacute 5 veces por muestra para obtener un promedio de dureza
262 Rugosidad
Se utilizoacute un rugosiacutemetro marca Mitutoyo modelo Surftest-402 Las muestras se colocaron
en una superficie plana y sobre ella se situoacute el palpador con punta coacutenica tal como lo muestra la
Figura 27 posteriormente se calibroacute dicha punta y entonces el equipo realizoacute un pequentildeo recorrido
sobre la superficie con el que determinoacute la rugosidad de cada muestra en microm
41
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido
Para esta caracterizacioacuten de las placas se utilizoacute el Microscopio Electroacutenico de Barrido de
alto-bajo vaciacuteo Jeol JSM 6610LV con un voltaje de 20 kV y una distancia de trabajo de 10 mm
Las placas se colocaron en un portamuestras (Figura 28) y se analizaron a alto vaciacuteo Las imaacutegenes
se formaron con una sentildeal de electrones secundarios a 500 1000 y 5000X
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
Se utilizoacute un Microscopio de Fuerza Atoacutemica marca Asylum Research modelo Cypher que cuenta
con una punta de silicio que tiene una constante de 2 Nm (conforme se va desgastando va
disminuyendo su valor)
Para las muestras sin influencia de campo magneacutetico se utilizoacute el modo contacto es decir
la fuerza entre la punta y la muestra son constantes En el caso de las muestras con influencia de
campo magneacutetico que mostraron una superficie menos rugosa y maacutes faacutecil de medir
topograacuteficamente se usoacute el modo no contacto por lo que la punta no tocaba la muestra sino que
42
oscilaba a una distancia de entre 1 y 10 nm Todas las imaacutegenes se obtuvieron en un aacuterea de 10 x
10 microm a una velocidad de barrido de 10 Hz escaneando 512 liacuteneas generadas por 512 puntos en
zonas especiacuteficas
265 Difraccioacuten de rayos X
Para esta caracterizacioacuten se utilizoacute un difractoacutemetro de rayos X marca Siemens modelo D5000
Las condiciones de operacioacuten fueron las siguientes velocidad de barrido de 05 s incrementos de
0035cps 35 kV y 25 mA El intervalo de aacutengulo seleccionado fue 2θ = 30 a 120deg que es el
rango donde aparecen la mayoriacutea de los picos caracteriacutesticos del niacutequel [37]
43
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten
Para una mejor comprensioacuten de los resultados eacutestos se presentan de manera comparativa en
funcioacuten del tiempo de electrodeposicioacuten con y sin campo magneacutetico analizando dichos
recubrimientos con las teacutecnicas electroquiacutemicas planteadas en el capiacutetulo de metodologiacutea
experimental tambieacuten se realizaron anaacutelisis del comportamiento de las propiedades fiacutesicas tales
como dureza rugosidad y espesor para determinar la influencia del campo magneacutetico durante la
electrodeposicioacuten de niacutequel
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos
La Figura 31b muestra las reacciones que se llevaron a cabo en el proceso de electrodeposicioacuten
Como ya se sabe en el aacutenodo se lleva a cabo la oxidacioacuten del niacutequel y en el caacutetodo la reduccioacuten
del mismo Sin embargo en el caacutetodo tambieacuten se lleva a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten del
hidroacutegeno ya que el medio usado para la electrodeposicioacuten es aacutecido (pH = 3) por ello la eficiencia
en el caacutetodo no es del 100
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni
311 Caacutelculo de masa depositada
Para conocer la masa de Ni depositada en el acero 1018 se realizaron mediciones de peso antes y
despueacutes de que las placas fueran sometidas al proceso de electrodeposicioacuten Sin embargo como el
aacuterea de electrodepoacutesito no es la misma en todas las placas se compara la masa depositada por
centiacutemetro cuadrado tal como lo muestra la Tabla 31
44
En la tabla 31 se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten de
niacutequel la masa por unidad de aacuterea aumenta Esto se cumple para ambas temperaturas (30degC y 60degC)
y ambas condiciones (sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico) sin embargo se demostraraacute
maacutes adelante que el aumento de masa no es garantiacutea de una reduccioacuten de la velocidad de corrosioacuten
(Grafico 31) Es importante sentildealar que tanto a 30degC como a 60degC la masa de niacutequel disminuye
cuando se utiliza el campo mageacutentico sin embargo a 30degC esto no se cumple debido a que hay un
aumento de masa
312 Eficiencia en corriente
Es importante mencionar que en todos los electrodepoacutesitos la corriente final era menor que la
inicial Dicha caiacuteda de corriente se debioacute a la formacioacuten de una capa de oacutexido en el aacutenodo Figura
32 lo que ocasionoacute una disminucioacuten en la entrega de cationes (Ni2+) a la solucioacuten
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido
La eficiencia en corriente se evaluoacute con la foacutermula del Anexo 1-A y se tomoacute el valor de la
corriente inicial para dicho caacutelculo Los resultados se muestran en la Tabla 32 Mientras que
Ferreira y Colnago [12] reportaron obtener eficiencias del doble para sus peliacuteculas de cobre en
45
este caso se puede notar que la presencia del campo magneacutetico provoca una disminucioacuten en el
rendimiento del sistema
La fuente de poder se debe regular para poder otorgar los 4 V que el proceso de
electrodeposicioacuten requiere y desde el momento en que se enciende el aparato empieza a mandar
corriente Por ello ciertas eficiencias sobrepasan el 100 pues el tiempo de ajuste se excedioacute maacutes
de 50 segundos
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
En la Figura 33 se observan los resultados de la resistencia a la polarizacioacuten en funcioacuten de la
temperatura y del tiempo de exposicioacuten A 60degC se observa que el campo magneacutetico provoca una
disminucioacuten de la resistencia a la polarizacioacuten para los diferentes tiempos de electrodepoacutesito
realizados lo cual se traduce en un aumento de la velocidad de corrosioacuten de acuerdo con la
ecuacioacuten de Stern y Geary (Ec 14) Este efecto de disminucioacuten de la Rp tambieacuten se observa en
los datos a 30degC con excepcioacuten del tiempo 7 minutos
46
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal
En la Tabla 33 se presentan las variaciones de icorr y Vcorr sin campo magneacutetico y en
presencia de campo magneacutetico a 30deg y 60deg en funcioacuten del tiempo de electrodepoacutesito
En la Graacutefica 31 se puede observar que a 60degC con mayor tiempo de electrodeposicioacuten de
Ni disminuye la Vcorr Sin embargo se puede notar que con la presencia del campo las velocidades
de corrosioacuten son mayores pero respetando la tendencia antes mencionada
60degC17min CM
60degC17min SC
60degC12min CM
60degC12min SC
60degC7min CM
60degC7min SC
30degC17min CM
30degC17min SC
30degC12min CM
30degC12min SC
30degC7min CM
30degC7min SC
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Rp (Ohm cm2)
47
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de electrodeposicioacuten
La tabla 34 muestra los valores de Ecorr para ambas temperaturas (30degC y 60degC) y en las
dos condiciones ensayadas (sin campo y con campo) Sin campo magneacutetico y con excepcioacuten de
30degC y 17 min se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten el Ecorr se
desplaza hacia valores menos negativos al mismo tiempo que la Vcorr disminuye (Tabla 33) De
acuerdo con la Teoriacutea de Potencial Mixto explicada por Evans el sistema se encuentra bajo un
control tipo anoacutedico es decir que la reaccioacuten de oxidacioacuten de niacutequel se desplaza para dar un Ecorr
menos negativo al mismo tiempo que reduce la Vcorr
1198731198942+ + 2119890minus harr 119873119894deg
Sin embargo a 30degC y 17 min el sistema se encuentra bajo control catoacutedico debido a que
persiste la disminucioacuten de Vcorr ahora con un cambio en el potencial hacia valores maacutes negativos
Al comparar los valores de Ecorr sin campo magneacutetico con los de campo magneacutetico se observa que
para la temperatura 60degC los valores de Ecorr se desplazan hacia valores maacutes electronegativos
Como se discutioacute anteriormente esto se debe a un control cineacutetico tipo anoacutedico Cuando se
considera la temperatura de 30degC se observa un desplazamiento hacia valores menos negativos es
7min 12min 17min
000
002
004
006
008
010
Vco
rr (
mm
an
o)
Tiempo de electrodeposicion
60degC Sin campo
60degC Con campo
30degC Sin campo
30degC Con campo
48
decir la cineacutetica estaacute controlada por la reaccioacuten catoacutedica Diversos trabajos reportan este mismo
efecto en donde el campo magneacutetico tiene un efecto sobre la reaccioacuten de reduccioacuten de oxiacutegeno
1198742 + 21198672119874 + 4119890minus harr 4119874119867minus
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica
Como se mencionoacute previamente en el apartado 167 referente a la teacutecnica de impedancia
mediante esta teacutecnica es posible evidenciar y cuantificar el efecto que tiene la capacitancia de una
interface electroquiacutemica y asiacute proporcionar informacioacuten complementaria al estudio de corrosioacuten
Las graacuteficas 32 33 y 34 correspondientes a los diagramas de Nyquist obtenidos en los
tres diferentes tiempos de electrodeposicioacuten a 60degC con y sin influencia de campo magneacutetico
Revelan en los tres casos que el campo magneacutetico disminuye la resistencia a la transferencia de
carga (Rtc) es decir el proceso de corrosioacuten se ve favorecido tal como se pudo mostrar en los
resultados de resistencia a la polarizacioacuten De igual manera se observa una disminucioacuten en la
resistencia del electrolito (Rs) esto debido a la fuerza convectiva (visible) que ejerce el campo
magneacutetico en el electrolito el cual provoca una mejor difusioacuten de los iones dicha informacioacuten es
consistente a lo reportado por Calivar e Ispas [67]
49
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
500
1000
1500
2000 50 mHz
60degC 7min SC
60degC 7min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
1000
2000
3000
50 mHz
60degC 12min SC
60degC 12min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
50 kHz
50 mHz
Re(Z) (Ohm cm2)
50
Graacutefica 34 EIE de 60degC 17min
34 Dureza Rugosidad y Espesor
La Tabla 35 muestra que la aplicacioacuten de un campo magneacutetico durante el proceso de
electrodeposicioacuten de niacutequel provoca que la dureza disminuya lo que significa que el recubrimiento
es menos susceptible a fracturarse este resultado es similar a lo reportado por Zielinski [11] y la
disminucioacuten de fracturas en sus peliacuteculas de Co-W ante la presencia de un campo magneacutetico
Tambieacuten es importante sentildealar que la rugosidad de cada niquelado presentoacute un
empobrecimiento lo que significa que el campo magneacutetico ayuda a obtener recubrimientos maacutes
uniformes
0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000
0
3000
6000
9000
12000
15000
18000 50 mHz
60degC 17min SC
60degC 17min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
51
Los espesores fueron calculados mediante la foacutermula que aparece en el Anexo 1-B y se
puede notar que eacuteste decrece ante la presencia del campo magneacutetico Esto se puede constatar de
igual forma a partir de los datos de impedancia los cuales permitieron calcular los valores de
capacitancia a partir de la ecuacioacuten de Brug (Ec 19) cuyos resultados se muestran en la Tabla
36
Como se puede observar los valores de capacitancia con el campo magneacutetico son mayores
en un orden de magnitud que aquellos donde no existe el campo permitiendo confirmar que el
espesor maacutes delgado se encuentra con la influencia del campo
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
A continuacioacuten se muestran las imaacutegenes topograacuteficas obtenidas en el MFA Con lo cual se puede
corroborar que ocurre una disminucioacuten en la rugosidad de las peliacuteculas de niacutequel con presencia de
campo magneacutetico
52
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC-7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC-12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC-17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
36 Difraccioacuten de Rayos X
Los patrones de difraccioacuten de los recubrimientos de Ni en acero 1018 Figura 37 se caracterizan
por la presencia de los planos de la estructura cuacutebica centrada en las caras de acuerdo al PDF 03-
065-4899 [32] Esta fase cristalina estuvo presente en todos los recubrimientos
De acuerdo con lo reportado por Hu [33] la energiacutea de activacioacuten para la evolucioacuten de
hidroacutegeno es mayor en el plano (111) que en el plano (200) del Ni Dicho de otra manera en el
53
plano (200) habraacute maacutes produccioacuten de hidroacutegeno gaseoso durante el proceso de electrodeposicioacuten
de niacutequel lo que trae consigo posiblemente recubrimientos porosos
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia de campo
magneacutetico
Para los depoacutesitos en presencia de campo magneacutetico a 7 y 12min se observa una orientacioacuten
preferencial en el plano (200) sin embargo el pico a 7min es mucho mayor que el de 12
comparando estos resultados con las pruebas electroquiacutemicas y de acuerdo a los reportado por Hu
[33] esto nos lleva a suponer que en este caso el recubrimiento es maacutes poroso y delgado de acuerdo
a las medidas de espesor (Tabla 35) Para el caso de 17min con campo magneacutetico se tiene una
orientacioacuten preferencial en el plano (111) esta muestra tiene un mejor comportamiento
electroquiacutemico de acuerdo a la Figura 33 ademaacutes de acuerdo a lo reportado por Hu [33] nos lleva
a deducir que este recubrimiento es el menos poroso de los tres con campo magneacutetico Lo anterior
explica por queacute la velocidad de corrosioacuten es mayor a 7min y va disminuyendo conforme aumenta
el tiempo de electrodeposicioacuten Y tambieacuten revela la causa por la que el potencial de corrosioacuten es
maacutes negativo en presencia del campo magneacutetico La porosidad tambieacuten nos explica la razoacuten por la
cual la dureza de los recubrimientos hechos en presencia del campo magneacutetico disminuye con
respecto a aquellos realizados en ausencia del mismo
40 45 50 55 600
4000
8000
12000
16000
20000
17min SC
17min CM
12 min CM
12 min SC
7min CM
Inte
nsid
ad
(U
A)
2 (grados)
60degC-7min SC
60degC-12min SC
60degC-17min SC
60degC-7min CM
60degC-12min CM
60degC-17min CM
Ni
7min SC
(111) (200)
54
La existencia de los poros en el recubrimiento propicia un par galvaacutenico Figura 38 entre
el niquelado electroliacutetico y el acero 1018 ya que este uacuteltimo es maacutes electronegativo por
consiguiente maacutes propenso a la corrosioacuten Tambieacuten estaacute el efecto de las diferencias de aacutereas entre
aacutenodo (acero) y caacutetodo (niquelado) siendo en este caso el caacutetodo quien posee mayor aacuterea de
exposicioacuten al ambiente es el aacutenodo quien se corroeraacute maacutes faacutecil y raacutepidamente
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni
37 Microscopia Electroacutenica de Barrido
Las Figuras 39 310 y 311 muestran las imaacutegenes obtenidas en el MEB de los recubrimientos de
Ni a 60degC 7min 12min y 17min respectivamente Se aprecia una morfologiacutea maacutes uniforme con la
presencia de campo magneacutetico y las aglomeraciones de partiacuteculas metaacutelicas son mucho maacutes
grandes que sus homoacutelogos sin influencia del campo
55
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y sin influencia
de campo magneacutetico
56
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min con y sin
influencia de campo magneacutetico
57
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min con y sin
influencia de campo magneacutetico
58
Conclusiones
A partir de los resultados experimentales obtenidos en el presente trabajo se puede concluir lo
siguiente
La eficiencia de electrodepositacioacuten es funcioacuten de la pureza del aacutenodo y de la corriente
aprovechada por la reaccioacuten de reduccioacuten de hidroacutegeno
El aumento en el tiempo de electrodepositacioacuten conduce a un aumento en la masa de niacutequel
electrodepositada esto es vaacutelido para la condicioacuten sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico
sin embargo esto no garantiza la disminucioacuten de Vcorr
Sin campo magneacutetico los resultados obtenidos a 30degC y 60degC muestran que la Vcorr
disminuye conforme el tiempo de electrodepoacutesito de niacutequel aumenta Tambieacuten en ausencia del
campo las Vcorr obtenidas a 30degC son menores comparadas con las Vcorr a 60degC a excepcioacuten de
17 min
Sin campo magneacutetico se observa que la degradacioacuten del niquelado estaacute controlada por una
cineacutetica anoacutedica lo cual es vaacutelido para 30degC y para 60degC con excepcioacuten de 30degC y 17 min donde
la cineacutetica que controla es catoacutedica Asimismo a 30degC con campo magneacutetico se observa que la
cineacutetica que controla el sistema es la catoacutedica lo cual sugiere que la reaccioacuten de reduccioacuten de
oxiacutegeno ser manipulada por el campo magneacutetico
En presencia del campo magneacutetico se encontroacute que la resistencia de la solucioacuten disminuyoacute
tanto a 30degC como a 60degC debido a una fuerza adicional convectiva que provoca el campo
magneacutetico
La Vcorr es dependiente de la cantidad de masa depositada pero tambieacuten del ordenamiento
cristalino que los aacutetomos de niacutequel adquieren al momento del electrodepoacutesito
En presencia del campo magneacutetico las micrografiacuteas MEB revelan superficies con menos
rugosidad respecto a las muestras sin campo magneacutetico
A 60degC hay poca o nula contribucioacuten del campo magneacutetico mientras que a 30degC si hay una
contribucioacuten del campo pero es negativa respecto a la Vcorr
59
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Anexo 1 Caacutelculos
1-A Caacutelculo de eficiencia
En la praacutectica la corriente suministrada a un sistema no es aprovechada al 100 pues hay
peacuterdidas de corriente por diversos motivos entre otros
a) Desviacioacuten de corriente por caminos secundarios
b) Impurezas de las soluciones (las cuales dan reacciones secundarias)
c) Resistencia eleacutectrica propia del bantildeo electroliacutetico
d) Peacuterdidas por transformacioacuten de energiacutea eleacutectrica a energiacutea caloriacutefica
e) Fenoacutemenos de polarizacioacuten
Entonces se puede decir que
Eficiencia en corriente = 119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119905119890oacute119903119894119888119886
119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119904119906119898119894119899119894119904119905119903119886119889119886 119903119890119886119897x100
1-B Caacutelculo de Espesor
El meacutetodo maacutes satisfactorio para medir el espesor promedio de una capa es disolverla y determinar
el peso de la misma a partir de una muestra cuya aacuterea se conozca en el caso de este estudio se
pesaron las placas antes y despueacutes del electrodepoacutesito para determinar la masa depositada El
espesor se calcula asiacute a partir del peso y del aacuterea y de la densidad o peso especiacutefico del depoacutesito
utilizando la foacutermula
T (espesor) = 119862119882 (119901119890119904119900)
119860(aacute119903119890119886)times119863(119901119890119904119900 119890119904119901119890119888iacute119891119894119888119900)
En donde C es una constante que depende simplemente de las unidades utilizadas En
unidades meacutetricas la ecuacioacuten se transforma en
T(mm) = 10119882(119892119903)
119860(1198881198982)times119863
63
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 7min
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 12min
-0000006 -0000003 0000000 0000003
-040
-038
-036
-034
-032
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
-0000004 -0000002 0000000 0000002
-035
-034
-033
-032
-031
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
64
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 17min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 7min
-00000006 -00000003 00000000 00000003 00000006
-026
-024
-022
-020
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
-00000027 -00000018 -00000009 00000000 00000009 00000018
-028
-024
-020
-016
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
65
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 12min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 17min
-0000004 -0000002 0000000 0000002 0000004
-038
-036
-034
-032
-030
-028
-026
-024
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
-0000006 -0000003 0000000 0000003 0000006 0000009
-032
-031
-030
-029
-028
-027
-026
-025
-024
-023
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
5
Capiacutetulo 1 Marco Teoacuterico
11 Antecedentes
El efecto de un campo magneacutetico sobre la orientacioacuten de las moleacuteculas durante un proceso de
formacioacuten de un producto ha sido muy poco estudiado En la industria se encuentran algunos casos
sin que haya reportes formales A continuacioacuten se discutiraacuten algunos de ellos
El ldquoFuel Energy Saverrdquo (Figura 11) es un producto de la compantildeiacutea mexicana ldquoEnergy
Saverrdquo se trata de un inductor de resonancia magneacutetica de alta potencia que genera frecuencias
especiacuteficas la cual fractura las cadenas de hidrocarburos alineando y haciendo todas las moleacuteculas
maacutes accesibles al oxiacutegeno lo que se traduce en una mejor combustioacuten con el consiguiente ahorro
de combustible y reduccioacuten de contaminacioacuten [8] Es aplicable para cualquier tipo de combustible
(gas natural gas LP dieacutesel combustoacuteleo gasoacuteleo) y puede ser usado en todo equipo de iacutendole
industrial (hornos calderas calentadores secadores estufas)
Figura 11 Funcionamiento del Fuel Energy Saver
Algunas empresas del ramo automotriz (por ejemplo Mercedes Benz) estaacuten empleando el
principio del FES para que por medio un campo magneacutetico se orienten las moleacuteculas del
combustible y de oxiacutegeno antes de que eacutestas sean consumidas La explicacioacuten a este fenoacutemeno fue
dada por Kita amp Kulish [9] que consiste en lo siguiente el combustible se consumiraacute a medida que
haya oxiacutegeno disponible Si en lugar de que el oxiacutegeno se alimente de manera ldquodesordenadardquo eacuteste
pudiera ser orientado antes de entrar a la caacutemara de combustioacuten se lograriacutea un mejor consumo de
combustible-oxiacutegeno lo cual se traduce en mayor potencia en el motor y un mejor
aprovechamiento del combustible es decir habriacutea menor cantidad de contaminantes (NOx y CO2)
en el escape
6
Otro ejemplo del uso de campos magneacuteticos se puede encontrar en la formacioacuten de
calcaacutereos en intercambiadores de calor La industria que sufre de formacioacuten de dichos productos
tambieacuten ha encontrado beneficios con el uso de un campo magneacutetico colocado en el depoacutesito de
agua y se observa que los productos calcaacutereos se desvanecen tal como se aprecia en la Figura 12
La explicacioacuten a este efecto se atribuye nuevamente a la reorientacioacuten de las moleacuteculas dando como
consecuencia una estructura amorfa en lugar de una cristalina caracteriacutestica de los calcaacutereos [10]
Figura 12 Seccioacuten transversal de la tuberiacutea y ubicacioacuten de los imanes permanentes (izq)
Incrustacioacuten en tuberiacuteas industriales sin y con el tratamiento magneacutetico aplicado
Por el lado de las investigaciones cientiacuteficas se tiene el anaacutelisis del efecto de un campo
magneacutetico de 12 T en la electrodeposicioacuten y estructura de las aleaciones cobalto-tungsteno con
ello Zielinski [11] pudo establecer que la aplicacioacuten del campo magneacutetico cambioacute la composicioacuten
quiacutemica y la morfologiacutea de las aleaciones Co-W
Figura 13 Sin campo magneacutetico las peliacuteculas de aleacioacuten Co-W presentan fracturas (izq) Con
campo magneacutetico dichas fracturas desaparecen
7
De la misma manera Ferreira y Colnago [12] estudiaron la influencia del campo magneacutetico
de una resonancia magneacutetica nuclear (RMN) durante la reaccioacuten electroliacutetica del cobre Sus
resultados fueron exitosos pues la reaccioacuten en presencia de un campo magneacutetico de 023 T tuvo
un rendimiento del doble que la de la reaccioacuten en ausencia de dicho campo
Finalmente pero no menos importantes Calivar [13] con su creacioacuten de modelos de
conveccioacuten magneacutetica en electrodeposicioacuten de peliacuteculas delgadas de cobre y tambieacuten Ispas [14]
con su estudio del efecto de un campo magneacutetico de 05 T en la electrodeposicioacuten de la aleacioacuten
Ni-Fe Ambos llegaron a la misma conclusioacuten un campo magneacutetico provoca una conveccioacuten en el
fluido el cual provoca una contribucioacuten adicional de masa-transporte
12 Generalidades
121 El campo magneacutetico
Se trata de un campo que ejerce fuerzas (denominadas magneacuteticas) sobre los materiales Es una
magnitud vectorial pero no produce ninguacuten efecto sobre cargas en reposo (como siacute lo hace el
campo eleacutectrico doacutende las acelera a traveacutes de la fuerza eleacutectrica) Sin embargo el campo magneacutetico
siacute tiene influencia sobre cargas eleacutectricas en movimiento [15]
Por ejemplo en el estado soacutelido si una carga en movimiento atraviesa un campo magneacutetico
la misma sufre la accioacuten de una fuerza magneacutetica que no modifica la velocidad pero siacute la
trayectoria Cabe mencionar que en el estado liacutequido o en el estado gaseoso el efecto del campo
magneacutetico no estaacute bien definido
Figura 14 El campo magneacutetico
8
La unidad de campo magneacutetico en el Sistema Internacional es el tesla (T) Un tesla se define
como el campo magneacutetico que ejerce una fuerza de 1 N (newton) sobre una carga de 1 C (coulomb)
que se mueve a velocidad de 1 ms dentro del campo
122 Definicioacuten de corrosioacuten
Se denomina corrosioacuten al ataque destructivo de un material generalmente metaacutelico por reaccioacuten
quiacutemica o electroquiacutemica con su medio ambiente (atmoacutesfera suelo agua etc)
La reaccioacuten baacutesica de corrosioacuten es
M Mn+ + ne-
De acuerdo con ello tambieacuten es posible definir la corrosioacuten desde un punto de vista maacutes
electroquiacutemico como el traacutensito de un metal de su forma elemental a su forma ioacutenica o combinada
con una respectiva cesioacuten de electrones [16] Dicho de otra manera el metal a traveacutes de la
corrosioacuten retorna a su forma combinada formando oacutexidos sulfuros hidroacutexidos etc Pues asiacute es
como los metales se encuentran habitualmente en la naturaleza por tratarse de formas
termodinaacutemicamente maacutes estables
El proceso de corrosioacuten es natural y espontaacuteneo y cuanto mayor es la energiacutea gastada en la
obtencioacuten del metal a partir del mineral tanto maacutes es la tendencia del metal a regresar a su forma
basal es decir mucho maacutes favorecida termodinaacutemicamente estaacute la reaccioacuten de oxidacioacuten
123 Clasificacioacuten de los procesos de corrosioacuten
Tradicionalmente se establecen dos procesos baacutesicos de ataques corrosivos atendiendo al medio
en el que se producen
Corrosioacuten seca
Corrosioacuten huacutemeda
1231 Corrosioacuten seca
Tiene lugar cuando el material se encuentra sometido a la accioacuten de gases principalmente a
temperaturas elevadas por lo que no se tiene un electrolito condensado Este tipo de corrosioacuten es
la que se produce en calderas sobrecalentadores reactores etc en la parte que estaacute en contacto
con los productos de combustioacuten
9
En la corrosioacuten seca los oacutexidos que se forman son de caraacutecter ioacutenico (cationes metaacutelicos y
aniones de oacutexido regularmente distribuidos) La estructura cristalina formada presenta
normalmente defectos reticulares (deficiencias ioacutenicas) a traveacutes de los cuales se produce la
difusioacuten de iones
Figura 15 Modelo simplificado de corrosioacuten seca
1232 Corrosioacuten huacutemeda
Tiene lugar cuando el material se encuentra en medios acuosos (Figura 16) Se produce
normalmente a temperatura ambiente o no muy elevada Es la maacutes extendida por cuanto afecta a
un sinfiacuten de elementos en los que el material es usado en tanques tuberiacuteas intercambiadores
precalentadores carcasas estructuras buques etc
Todos los procesos de corrosioacuten involucran transferencia de carga (iones y electrones) en
particular en el caso de corrosioacuten huacutemeda eacutesta se da a traveacutes de soluciones acuosas (electrolitos)
las cuales son eleacutectricamente conductoras En general el proceso requiere de tres etapas
1) Oxidacioacuten Los aacutetomos metaacutelicos aumentan su valencia al ceder electrones convirtieacutendose
en iones positivos los cuales pasan al electrolito
2) Transporte de carga Los electrones son transferidos al caacutetodo
3) Reduccioacuten Reaccioacuten donde se consumen los electrones generados en la oxidacioacuten
Este tipo de corrosioacuten es netamente electroquiacutemico ya que es un proceso en el que se llevan
a cabo reacciones de oxidacioacuten y de reduccioacuten de ahiacute que se conozca coacutemo proceso REDOX Cabe
mencionar que se puede favorecer una reaccioacuten u otra en caso de inclinarse por la oxidacioacuten
10
entonces se da la corrosioacuten y si es la reduccioacuten se puede proteger al metal por ejemplo con
electrodepoacutesitos
Figura 16 Modelo simplificado de corrosioacuten huacutemeda
124 Tipos de ataque por corrosioacuten
Es importante sentildealar que la corrosioacuten huacutemeda presenta dos tipos de ataque corrosioacuten uniforme y
corrosioacuten localizada
a) Corrosioacuten uniforme homogeacutenea o generalizada El ataque se extiende de forma
homogeacutenea sobre toda la superficie metaacutelica y por tanto la peacuterdida de material es
aproximadamente la misma en todos los puntos A este tipo de ataque se le identifica por
crecimiento 2D debido a que se desarrolla preferentemente a lo largo de la superficie Por
consiguiente es relativamente faacutecil estimar la vida uacutetil de los materiales metaacutelicos que lo
sufren
b) Corrosioacuten localizada El ataque no se distribuye de forma homogeacutenea localizaacutendose por
el contrario en determinadas zonas de la superficie metaacutelica A este tipo de ataque se le
conoce por crecimiento 3D debido a que se desarrolla de manera local dando preferencia a
la profundidad maacutes que a la superficie Dentro de este tipo de corrosioacuten existe a su vez
otra clasificacioacuten que se menciona a continuacioacuten
11
a Corrosioacuten por picadura
b Corrosioacuten por hendidura
c Corrosioacuten galvaacutenica
d Corrosioacuten intergranular
e Corrosioacuten bajo tensioacuten
f Corrosioacuten cavitacioacuten
Figura 17 Ejemplos de algunos tipos de corrosioacuten
125 Celdas electroquiacutemicas
En corrosioacuten una celda es un dispositivo en el cual se producen reacciones quiacutemicas de oxidacioacuten
y reduccioacuten El aparato se integra de las siguientes partes sustancia que contiene iones (electrolito)
dos electrodos (caacutetodo y aacutenodo) y una conexioacuten eleacutectrica entre ambos electrodos
Existen dos tipos de celdas las electroliacuteticas que requieren un voltaje externo (fuente de
poder) y las electroquiacutemicas o galvaacutenicas que solamente necesitan un instrumento para registrar
voltaje Por lo cual se dice que las primeras son no espontaacuteneas y las segundas espontaacuteneas
Termodinaacutemicamente una reaccioacuten espontaacutenea presenta una energiacutea libre de Gibbs negativa y la
no espontaacutenea positiva tal como se aprecia en la Tabla 11
12
1251 Celda galvaacutenica
Una celda galvaacutenica (Figura 18) es aquella en la cual la energiacutea quiacutemica es convertida en energiacutea
eleacutectrica por medio de una reaccioacuten quiacutemica espontaacutenea Esto se debe a que un metal es maacutes activo
y otro maacutes noble aacutenodo y caacutetodo respectivamente seguacuten la serie galvaacutenica por lo que al ser
conectados eleacutectricamente producen un flujo de electrones desde el caacutetodo al aacutenodo Dicho flujo
genera un potencial eleacutectrico que puede ser medido experimentalmente
Los requisitos para que se produzca un proceso de corrosioacuten en una pila galvaacutenica son los
siguientes
1 Dos superficies con distinto potencial electroacutedico
a Una de ellas que constituye al aacutenodo de la reaccioacuten al ceder electrones sufriraacute la
corrosioacuten Es decir aquiacute se lleva a cabo la reaccioacuten de oxidacioacuten Es el polo
negativo
Mdeg Mne- + ne-
b La otra que constituye el caacutetodo ganaraacute los electrones cedidos por el aacutenodo En
esta zona ocurriraacute la reaccioacuten de reduccioacuten Es el polo positivo
Mne- + ne- Mdeg
13
2 Un electrolito conductor ioacutenico que contiene los elementos caracteriacutesticos del medio
corrosivo Es justo aquiacute en el seno de la solucioacuten donde ocurre el transporte de materia
3 Una conexioacuten eleacutectricamente conductora entre el aacutenodo y el caacutetodo para que sea posible
el transporte de carga
Figura 18 Celda galvaacutenica
1252 Celda electroliacutetica
Las celdas electroliacuteticas no son espontaacuteneas por lo que debe aplicarse externamente un potencial
eleacutectrico para que funcionen Al proveer dicha energiacutea se fuerza a que una corriente eleacutectrica pase
por la celda con el fin de generar reacciones quiacutemicas de oacutexido-reduccioacuten en la superficie de los
electrodos de dicha celda Uno de los procesos maacutes conocidos es el electrodepoacutesito de metales
como cobre niacutequel o zinc Es importante puntualizar que aquiacute el aacutenodo estaraacute cargado
positivamente y el caacutetodo negativamente contrario a lo sucedido en las celdas galvaacutenicas
Las partes que conforman a la celda electroliacutetica son las siguientes
1 Electrolito Al igual que en las celdas galvaacutenicas se necesita de un conductor ioacutenico
2 Aacutenodo En este tipo de celdas el aacutenodo posee el polo positivo y aquiacute se lleva a cabo la
oxidacioacuten de la especie electroquiacutemica
3 Caacutetodo Eacuteste es el polo negativo y en eacutel se produce la reduccioacuten de la especie
electroquiacutemica
14
4 Fuente de energiacutea Es quien aplica la energiacutea necesaria para poder invertir el sentido
natural de la corriente dando lugar a una reaccioacuten quiacutemica opuesta a la que se produce
espontaacuteneamente en la pila
Figura 19 Celda electroliacutetica
13 Principios Electroquiacutemicos
131 Electrolitos
Todos los solutos que se disuelven en agua se agrupan en dos categoriacuteas electrolitos y no
electrolitos Un electrolito es una sustancia que cuando se disuelve en agua forma una disolucioacuten
capaz de conducir la electricidad Un no electrolito por lo tanto no conduce la corriente eleacutectrica
cuando se disuelve en agua
1311 Tipos de electrolitos
Los electrolitos se clasifican en fuertes y deacutebiles Los primeros son sustancias que estaacuten casi
completamente disociadas en la solucioacuten e incluyen soacutelidos ioacutenicos y aacutecidos fuertes Los uacuteltimos
poseen enlaces tan fuertes que muy difiacutecilmente se ionizan en solucioacuten permaneciendo la mayor
parte en forma de moleacuteculas las cuales no tienen la capacidad de transportar carga eleacutectrica como
lo hacen los iones Es importante mencionar que los electrolitos por buenos conductores de la
electricidad que puedan ser siempre tendraacuten menor capacidad para conducir la electricidad que los
materiales soacutelidos [17]
15
132 Ley de Ohm
Una de las maacutes importantes caracteriacutesticas eleacutectricas de un material soacutelido es la facilidad con que
transmite una corriente eleacutectrica La ley de Ohm relaciona la corriente (I) o sea el paso de carga
por unidad de tiempo con el voltaje aplicado (V) de la manera siguiente
V = IR
Donde R es la resistencia del material a traveacutes del cual pasa la corriente Las unidades de
V I y R son respectivamente voltios (V) amperios (A) y ohmios (Ω)
133 Leyes de Faraday
En electroquiacutemica es de suma importancia poder determinar la velocidad a la que ocurren las
reacciones de oacutexido-reduccioacuten cuando una corriente atraviesa una interfase soacutelido-electrolito pues
esto trae como consecuencia un transporte de materia resultado de la peacuterdida (oxidacioacuten) o
ganancia (reduccioacuten) de masa en el electrodo de trabajo
Cabe mencionar que las caracteriacutesticas superficiales del electrodo y las interacciones del
electrolito en dicha superficie son las que determinan la velocidad de reaccioacuten de un proceso
electroquiacutemico [18] Sin embargo hay tantos factores que pueden afectar directamente la velocidad
de reaccioacuten que por ello las leyes de Faraday solo son utilizables cuando el proceso controlador es
la transferencia de carga
Con las investigaciones del fiacutesico britaacutenico Michael Faraday (1791-1867) se descubrieron
las relaciones cuantitativas entre la cantidad de electricidad que pasa a traveacutes de una solucioacuten y la
cantidad de materia separada o precipitada en los electrodos Es decir con dichas expresiones es
posible calcular el transporte de materia en la interfase soacutelido-electrolito [16]
Primera Ley La masa de un ion liberado o depositado en un electrodo es proporcional a
la cantidad de electricidad que pase a traveacutes de la solucioacuten
Ec 11
16
m = 119868119905119875119860
119899119865
Donde PA es el peso atoacutemico la I la corriente en Amperes t el tiempo que pasa dicha carga
en segundos n el nuacutemero de equivalentes involucrados y F la constante de Faraday
Segunda Ley Las cantidades de sustancias liberadas o depositadas por una cantidad de
electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes Aplica cuando una misma
cantidad de electricidad atraviesa distintos electrolitos es decir cuando el proceso se lleva a cabo
en serie
1198981
1198901=
1198982
1198902
Donde m1 y m2 son las masas depositadas y e1 y e2 son los equivalentes quiacutemicos El
equivalente quiacutemico es la relacioacuten entre el peso atoacutemico y el nuacutemero de oxidacioacuten del compuesto
en cuestioacuten
134 Ecuacioacuten de Stern-Geary
La ecuacioacuten de Stern-Geary establece la relacioacuten entre la densidad de corriente de corrosioacuten (icorr)
es decir la velocidad de corrosioacuten con la resistencia a la polarizacioacuten [19]
119894119888119900119903119903 = 119861
119877119875
119861 = 119887119886119887119888
2303 (119887119886 + 119887119888)
Donde ba y bc son las pendientes de Tafel anoacutedica y catoacutedica respectivamente
La constante B en la ecuacioacuten sirve para presentar una relacioacuten existente entre las
pendientes de Tafel Para que la ecuacioacuten de Stern-Geary sea aplicable es imperativo que exista
comportamiento tafeliano en el sistema electroquiacutemico
Ec 12
Ec 13
Ec 14
Ec 15
17
14 Control de la corrosioacuten
Baacutesicamente todos los meacutetodos que existen para lograr controlar la corrosioacuten de los materiales
metaacutelicos son intentos para interferir con el mecanismo de corrosioacuten de tal manera que se pueda
hacer que eacuteste sea lo maacutes ineficiente posible Dado que para que exista un proceso de corrosioacuten
debe formarse una pila o celda de corrosioacuten ademaacutes de una diferencia de potencial entre los
electrodos o zonas anoacutedicas y catoacutedicas la eliminacioacuten de alguno de los componentes esenciales
de la mencionada pila podriacutea llegar a detener el proceso [20]
En la praacutectica existen tres maneras de lograr lo anterior y enseguida se explicaraacute en queacute
consiste cada una Sin embargo es muy importante sentildealar que ninguacuten meacutetodo elimina la
corrosioacuten sino que todos disminuyen la velocidad de la reaccioacuten de oxidacioacuten ya que el metal
siempre buscaraacute la condicioacuten de miacutenima energiacutea que es la formacioacuten de oacutexidos e hidroacutexidos
141 Proteccioacuten catoacutedica
Se debe recordar que toda estructura propensa a corroerse presenta zonas catoacutedicas y anoacutedicas
siendo estas uacuteltimas aquellas aacutereas donde se lleva a cabo la corrosioacuten Pero si todas las aacutereas
anoacutedicas se pudieran convertir en catoacutedicas la estructura completa funcionariacutea como caacutetodo y la
corrosioacuten se disminuiriacutea considerablemente [21] Ese es el mecanismo de accioacuten de la proteccioacuten
catoacutedica y se puede llevar a cabo de dos maneras tal como lo muestra la Figura 110
Por corriente impresa La proteccioacuten se logra aplicando una corriente externa a partir de
un rectificador que suministra corriente continua de bajo voltaje El terminal positivo de la
fuente de corriente se conecta a un aacutenodo auxiliar (grafito por ejemplo) localizado a una
determinada distancia de la estructura a proteger y el terminal negativo se conecta a la
estructura metaacutelica
Por aacutenodos de sacrificio El metal a proteger se conecta a otro metal menos noble seguacuten
la serie galvaacutenica que actuaraacute como aacutenodo en la celda de corrosioacuten En ese caso la
estructura actuaraacute como caacutetodo y quedaraacute protegida por el ldquosacrificiordquo del aacutenodo que se
corroeraacute
18
Figura 110 Proteccioacuten catoacutedica (a) de una tuberiacutea subterraacutenea utilizando aacutenodo de sacrificio de
magnesio y (b) tanque subterraacuteneo utilizando corriente impresa
142 Inhibidores de corrosioacuten
Los inhibidores son sustancias orgaacutenicas o inorgaacutenicas que se agregan a la solucioacuten corrosiva con
el fin de disminuir su poder de ataque y asiacute reducir la velocidad de corrosioacuten Se puede decir que
un inhibidor es un calmante de la corrosioacuten pues como ya se mencionoacute con anterioridad ninguacuten
meacutetodo la elimina en su totalidad
El comportamiento de los inhibidores puede ser muchas veces peligroso ya que en funcioacuten
de la concentracioacuten pueden jugar tanto el papel de inhibidores como de estimuladores de la
corrosioacuten [21]
Los hay de dos tipos aunque a veces se utiliza una combinacioacuten de ambos
1) Inhibidores anoacutedicos Actuacutean formando un compuesto insoluble el cual precipita en los
lugares afectados por la peacuterdida de materia evitando la reaccioacuten anoacutedica y por lo tanto
inhibe la corrosioacuten Ejemplos hidroacutexido soacutedico carbonato silicato y borato de sodio
ciertos fosfatos cromato soacutedico nitrito y benzoato de sodio etc
2) Inhibidores catoacutedicos Actuacutean sobre toda la superficie formando una capa o peliacutecula de
alta resistencia eleacutectrica la cual funciona como una barrera para la corriente de corrosioacuten
Ejemplos sulfato de zinc sulfato de magnesio bicarbonato de calcio etc
143 Recubrimientos protectores
Los recubrimientos representan la primera liacutenea en la lucha contra la corrosioacuten Los recubrimientos
sea cual fuere su tipo no mejoran las caracteriacutesticas mecaacutenicas del elemento sin embargo
preservan su resistencia e integridad Sus objetivos pueden ser variados siendo el principal aislar
la estructura del medio agresivo con el que se encuentra en contacto (agua suelo y atmoacutesfera por
lo general) aunque tambieacuten cumplen en ocasiones fines cosmeacuteticos
19
En general se emplean bajo condiciones muy amplias como puede ser exposicioacuten
atmosfeacuterica inmersioacuten en agua estructuras enterradas elementos sometidos a quiacutemicos etc Los
recubrimientos representan la uacuteltima etapa de los procesos de fabricacioacuten de cualquier pieza
sistema o equipo siendo normalmente aplicados antes del ensamble [21] Existe por lo tanto una
amplia gama de materiales que pueden ser utilizados como recubrimientos de los metales
1431 Clasificacioacuten de los recubrimientos
Orgaacutenicos Los recubrimientos orgaacutenicos son poliacutemeros y resinas producidas en forma
natural o sinteacutetica generalmente formulados para aplicarse como liacutequidos que se secan o
endurecen como peliacuteculas delgadas en materiales del sustrato Por ejemplo las pinturas
Inorgaacutenicos Los recubrimientos inorgaacutenicos proporcionan acabados tersos y maacutes
duraderos los maacutes usados son el vidrio y los ceraacutemicos
Metaacutelicos Los recubrimientos metaacutelicos se aplican mediante capas finas que funcionen
como aacutenodos sacrificables que puedan ser corroiacutedos en lugar del metal subyacente Por
ejemplo Niquelado cromado galvanizado electroliacutetico inmersioacuten en caliente etc
15 Galvanoplastia
La galvanoplastia es una teacutecnica que proporciona un recubrimiento metaacutelico a una estructura que
deseamos proteger El elemento adherido modifica las propiedades superficiales del material sobre
el cual se depositan promoviendo caracteriacutesticas que son imposibles de obtener en el metal base
Es un meacutetodo que se fundamenta en la electroacutelisis para asiacute cubrir un metal base con un fina
capa de otro metal ya sea cobre niacutequel cromo oro plata con el fin de embellecerlo o impartirle
resistencia a la corrosioacuten
151 Mecanismo general de la electrodeposicioacuten
La electrodeposicioacuten puede ser de un solo metal de capas de diferentes metales o de una aleacioacuten
(por ejemplo latoacuten) Los metales maacutes utilizados para electrodepoacutesito son en orden de importancia
zinc niacutequel estantildeo y cadmio [22] Tambieacuten es usual recubrir con oro plata y platino En el caso
de aleaciones es comuacuten la aplicacioacuten de Babbitts (aleaciones Pb-Sn) Es conveniente mencionar
que la mayoriacutea de los metales se pueden depositar por eacuteste procedimiento
20
En teacuterminos simples este proceso consiste en la inmersioacuten de la parte a recubrir en un
electrolito que contenga iones del metal a depositar para asiacute proceder al paso de una corriente
directa que permita el depoacutesito en la pieza (caacutetodo) donde los iones son repuestos por la accioacuten de
la propia corriente sobre el aacutenodo
Pero iquestcoacutemo sucede realmente el fenoacutemeno de la electrodeposicioacuten A continuacioacuten se
daraacute una explicacioacuten maacutes detallada sin embargo solo las reacciones en el caacutetodo seraacuten presentadas
ya que en general las reacciones en un aacutenodo soluble seraacuten las inversas de aquellas presentes en
el caacutetodo
Figura 111 Electrodeposicioacuten de cobre
Suponga una solucioacuten de una sal metaacutelica tal como el sulfato de cobre (Figura 111) la sal
se disocia considerablemente formando cationes cargados positivamente y aniones cargados
negativamente como ya se ha mencionado anteriormente El agua presente se disocia un poco para
formar iones hidroacutegeno e hidroxilo Todo aacutecido sulfuacuterico presente se disocia tambieacuten en iones
hidroacutegeno y en iones ya sea HSO4- o ya sea SO4
-2 La mayor parte de estos iones estaacuten hidratados
o sea que se encuentran combinados con una o maacutes moleacuteculas de agua
Cuando se aplica un potencial a dos electrodos en una solucioacuten asiacute los cationes cargados
positivamente emigran hacia el caacutetodo y los aniones negativos se mueven hacia el aacutenodo En una
solucioacuten acidificada la concentracioacuten de iones hidroacutegeno es relativamente alta y la de los iones
hidroxilo es muy baja En virtud de que los iones hidroacutegeno se mueven maacutes raacutepidamente que los
iones cobre la mayor parte de la corriente es llevada hacia el caacutetodo por los iones hidroacutegeno Sin
embargo es maacutes faacutecil descargar los iones cobre asiacute que praacutecticamente toda la corriente que se usa
en el caacutetodo es para depositar cobre
21
Es difiacutecil representar el proceso implicado en el depoacutesito real de un metal sobre el sustrato
El caacutetodo se encuentra cargado negativamente o sea tiene una concentracioacuten de electrones
relativamente alta los cuales siempre aprovechan la oportunidad de combinarse con iones cargados
positivamente para asiacute formar los aacutetomos metaacutelicos
152 Electrodepoacutesitos de Niacutequel
El niacutequel (Ni) es un elemento quiacutemico de nuacutemero atoacutemico 28 situado en el grupo 10 de la tabla
perioacutedica de los elementos Es un metal blanco plateado duro maleable y duacutectil que puede
presentar un intenso brillo
Como elemento aleante proporciona resistencia tenacidad y proteccioacuten contra la corrosioacuten
El uso principal del niacutequel como metal es en la electrodeposicioacuten de piezas ya que funge como
protector corrosivo y de desgaste ante otros materiales que suelen ser maacutes susceptibles
ambientalmente tal como el hierro o el acero ademaacutes de embellecer la superficie El niacutequel es un
metal muy poco activo y bajo casi todas las condiciones tiende a resistir manchas y oxidacioacuten [23]
1521 Tipos de bantildeos de niacutequel
Normalmente los galvanizados de niacutequel se hacen a partir de soluciones aacutecidas variando en un
rango de pH de 15 a 60 Una excepcioacuten es el uso de un bantildeo alcalino amoniacal de niacutequel con un
pH cerca de 9 [22]
A pesar de las muchas foacutermulas de bantildeos de niacutequel casi todas ellas contienen tres componentes
esenciales
Sulfato de niacutequel Constituye la principal fuente de iones niacutequel ademaacutes de controlar los
liacutemites admisibles de densidad de corriente
Cloruro de niacutequel Suministra los iones cloruros necesarios para asegurar la corrosioacuten de
los aacutenodos de niacutequel Tambieacuten es una fuente secundaria de iones niacutequel
Aacutecido boacuterico Actuacutea como agente tampoacuten y para conservar la adhesioacuten del depoacutesito de
niacutequel
A continuacioacuten se enlistan las teacutecnicas principales que se utilizan en los depoacutesitos de niacutequel
[22] Cabe mencionar que las concentraciones exactas y las condiciones de operacioacuten pueden
modificarse pero los valores que se dan pueden servir de guiacutea
22
1 Niacutequel a bantildeo friacuteo diluido
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 09 120 16
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Fluoruro de amonio NH4F 057 65 87
2 Bantildeo caliente Tipo Watts
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 04 45 6
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
pH para operacioacuten a un alto pH 45-55 a un bajo pH 15-30
Temperatura 43deg C (110 degF)
Densidad de corriente 2-7 ampdm2 (20-65 ampft2)
3 Bantildeo de alto sulfato
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 05 70 9
Cloruro de amonio NH4Cl 025 15 2
Sulfato de sodio Na2SO4 10 160 22
Aacutecido boacuterico H3BO3 025 M 15 2
pH 55
Temperatura 20-30 degC (68-86 degF)
Densidad de corriente 15-30 ampdm2 (14-28 ampft2)
4 Bantildeo brillante de niacutequel-cobalto
N glt ozgal
Sulfato de niacutequel NiSO4 6H2O 18 240 32
23
Cloruro de niacutequel NiCl2 6H2O 038 45 6
Sulfato de cobalto CoSO4 7H2O 011 15 2
Aacutecido boacuterico H3BO3 05 M 30 4
Sulfato de amonio (NH4)2SO4 004 25 03
Formato de niacutequel Ni(COOH)2 067 50 67
Formaldehiacutedo HCHO (40) 25 03
pH 45
Temperatura 55 degC (131 degF)
Densidad de corriente 3 ampdm2 (28 ampft2)
1522 Condiciones de operacioacuten
El caraacutecter del depoacutesito depende de varios factores incluyendo la temperatura la densidad de
corriente el pH la distancia entre los electrodos y la agitacioacuten los cuales se ajustan para producir
recubrimientos gruesos o delgados mates o brillantes suaves o duros duacutectiles o fraacutegiles [22] Cabe
mencionar que los valores oacuteptimos para cada factor variacutean de acuerdo con el tipo del bantildeo por lo
que no es posible dar cifras determinadas En su lugar se indicaraacuten los efectos sobre el caraacutecter de
los depoacutesitos obtenidos
pH La eleccioacuten de pH es regida por el tipo de bantildeo y las propiedades que se desean en el
depoacutesito En general en bantildeos de niacutequel opaco un aumento en el pH especialmente arriba de 50
produce depoacutesitos maacutes duros probablemente como resultado de mayor precipitacioacuten
Reciacuteprocamente los depoacutesitos de bajo pH seraacuten probablemente suaves
Temperatura La ventaja de aplicar altas temperaturas depende de varios factores
incluyendo (1) maacutes elevada solubilidad del niacutequel u otras sales (2) mayor conductividad (3)
reducida polarizacioacuten en ambos electrodos y (4) aumento de eficiencia en el aacutenodo y caacutetodo
Aunque de igual manera se pueden presentar ciertas desventajas (1) aumento de la tendencia a la
precipitacioacuten de impurezas (2) la propensioacuten a coagular agentes abrillantadores (3) vaporizacioacuten
excesiva (4) produccioacuten de depoacutesitos pasivos y (5) menor potencia de depoacutesito
Densidad de corriente La densidad de corriente es dependiente de los dos factores
anteriores A temperatura ambiente especialmente en bantildeos diluidos se emplean densidades de
24
corriente de 5 a 20 Aft2 (05 a 2 Adm2) En bantildeos maacutes fuertes y calientes se pueden usar
densidades de corriente hasta de 60 Aft2 (6 Adm2)
Agitacioacuten El efecto de la agitacioacuten equivale a un aumento en concentracioacuten de niacutequel y a
una disminucioacuten de pH lo que permite densidades de corriente maacutes altas Una desventaja de la
agitacioacuten raacutepida en los bantildeos de niacutequel es que con el movimiento suben a la superficie las partiacuteculas
suspendidas lo que trae consigo un depoacutesito aacutespero
Distancia entre electrodos La elaboracioacuten de recubrimientos con espesor uniforme
depende tambieacuten de la propia disposicioacuten y espacio adecuado de las piezas de trabajo aacutenodo y
caacutetodo Por lo que entre maacutes cercana esteacute la superficie a recubrir del aacutenodo mayor seraacute el espesor
del depoacutesito obtenido
1523 Propiedades de los depoacutesitos de niacutequel
Las propiedades fiacutesicas del niacutequel electrodepositado son de especial intereacutes porque hay una gran
variedad de propiedades el control de las cuales de las cuales crea aplicaciones especiales del
niacutequel por ejemplo en electroformacioacuten Las siguientes propiedades son para depoacutesitos opacos de
niacutequel [22]
Dureza Esta variacutea en los diferentes depoacutesitos de niacutequel cerca de 130 a 430 HB En el bantildeo
tipo Watts se obtuvo un miacutenimo de dureza a un pH de 3 obtenieacutendose depoacutesitos maacutes duros abajo
y arriba de este liacutemite Los depoacutesitos maacutes duros se obtienen con un alto pH
Resistencia a la tensioacuten En general la resistencia a la tensioacuten es casi paralela a la dureza
y va de 56 000 a 160 000 lbplg2 (3 900 a 11 000 kgcm2)
Ductilidad La ductilidad medida por elongacioacuten es casi inversamente proporcional a la
dureza y a la resistencia a la tensioacuten
Resistividad eleacutectrica La resistividad eleacutectrica del niacutequel depositado es influenciada por el
contenido de inclusiones como el oacutexido y el cobalto Se presenta un poco en un pH 3
Composicioacuten Los depoacutesitos de niacutequel contienen oxiacutegeno e hidroacutegeno probablemente
presentes como compuestos baacutesicos del niacutequel como Ni(OH)2 El cloruro puede estar presente en
los depoacutesitos de todos los bantildeos de cloruro Estas inclusiones indudablemente tienen influencia en
la dureza y resistencia a la tensioacuten
25
1524 Niquelado en diferentes metales base
Debido a que el niacutequel es el maacutes extensamente aplicado a numerosos metales base solo algunos
ciclos empleados seraacuten considerados en esta seccioacuten [22]
Niquelado en acero El niacutequel puede ser depositado directamente sobre acero o sobre una
capa delgada o gruesa de cobre Debido a numerosas pruebas de corrosioacuten y a lo demostrado por
la experiencia se sabe que las capas de cobre ejercen menos proteccioacuten que una densidad igual de
niacutequel por lo tanto la tendencia actual es eliminar el cobre
Niquelado en hierro vaciado La dificultad de galvanizar sobre hierro vaciado estaacute
indudablemente asociada con la presencia de carbono liberado o grafito en el hierro Si eacuteste
permanece parcialmente embebido el niacutequel no se deposita tan faacutecilmente sobre el carboacuten o
carburos como en los cristales de hierro Por ello se utiliza una capa de cobre ya que mejora la
adhesioacuten del niacutequel al hierro vaciado La limpieza catoacutedica en caacuteustico fundido es algunas veces
efectiva y la saturacioacuten en aacutecido fluorhiacutedrico puede ayudar Por buena que sea la adhesioacuten del
niacutequel al hierro vaciado no es tan buena como en el acero
Niquelado en cobre y latoacuten La praacutectica maacutes comuacuten es aplicar el niacutequel directamente al
cobre o latoacuten seguido por la acostumbrada capa de cromo Ha sido demostrado concluyentemente
que las capas de cromo aplicadas directamente al latoacuten dan menos proteccioacuten contra la corrosioacuten
que cuando se aplica primero una capa de niacutequel
Niquelado en zinc y vaciados con base de zinc Se ha confirmado por muchas pruebas que
las capas adherentes de niacutequel pueden ser aplicadas directamente a troquelados de zinc usando un
alto-sulfato en bantildeo de niacutequel El principio de este bantildeo es la adicioacuten de suficiente sulfato de sodio
para reducir la actividad del ion niacutequel y aumentar la polarizacioacuten del caacutetodo De este modo se
evita que el zinc pase a la solucioacuten precipitando niacutequel oscuro Este bantildeo de alto sulfato de niacutequel
tiene una excelente conductividad y potencia de depoacutesito
Niquelado en magnesio El galvanizado de niacutequel u otros metales en magnesio o sus
aleaciones se hace difiacutecilmente por la alta actividad del magnesio y su consecuente tendencia a
depositar niacutequel u otros metales pesados por inmersioacuten Debido a la gran diferencia de potenciales
de solucioacuten del magnesio y de metales como el cobre niacutequel o cromo eacutestos pueden galvanizarse
sobre el magnesio cuya corrosioacuten se acelera raacutepidamente si hay algunos poros o discontinuidad en
26
los recubrimientos Mientas no se pueda demostrar que pueden producirse y mantenerse
recubrimientos electroliacuteticos casi impenetrables en el magnesio y sus aleaciones es de dudarse que
estos galvanizados puedan tener una aplicacioacuten industrial
16 Teacutecnicas de caracterizacioacuten
La caracterizacioacuten de materiales consiste en la obtencioacuten de informacioacuten acerca de un material
bajo estudio (composicioacuten estructura morfologiacutea y otras propiedades) a partir de la interaccioacuten de
una sentildeal (eleacutectrica luminosa teacutermica etc) con una porcioacuten de dicho material Por tanto toda
caracterizacioacuten de un material supone una agresioacuten es decir una perturbacioacuten del mismo El
estudio de la respuesta del material a dicha perturbacioacuten tiene la finalidad de dar a conocer las
propiedades del mismo para asiacute predecir si seraacute uacutetil o no en una determinada aplicacioacuten
Se puede asegurar que la ayuda de las nuevas teacutecnicas de caracterizacioacuten y anaacutelisis ha sido
indispensable en el disentildeo siacutentesis y procesado de estos materiales permitiendo un cuidadoso
control de sus propiedades e incluso en muchos casos con la posibilidad de fijar de antemano
alguna de sus caracteriacutesticas
161 Dureza
La dureza es una propiedad de los materiales soacutelidos y se define como la resistencia que oponen
estos materiales a ser deformados Una buena dureza significa generalmente que el material es
resistente al rayado y al desgaste [23]
1611 Ensayo de dureza Vickers
Este ensayo usa un indentador en forma de piraacutemide hecho de diamante Figura 112 (a) El ensayo
se basa en el principio de que las impresiones hechas por este indentador tienen geometriacuteas
similares independientemente de la carga aplicada En consecuencia se aplican varias cargas
dependiendo de la dureza del material a ensayar [24] la dureza Vickers se determina entonces con
la foacutermula
HV = 1854 119865
1198632
Donde F es la fuerza aplicada en kgf y D es la diagonal de la impresioacuten hecha por el
indentador en mm El ensayo Vickers puede usarse para todos los metales porque cuenta con una
de las escalas maacutes amplias entre los ensayos de dureza
Ec 16
27
Figura 112 (a) Geometriacutea de un indentador Vickers (b) regioacuten de material afectada
plaacutesticamente por la accioacuten del penetrador Vickers durante un ensayo de dureza
162 Rugosidad
El acabado superficial de los cuerpos puede presentar errores de forma macro y micro geomeacutetricos
auacuten las superficies consideradas como ldquomuy lisasrdquo muestran cuando son analizadas a escala
sumamente fina una compleja diversidad de particularidades geomeacutetricas [25] Por lo tanto la
rugosidad es el conjunto de irregularidades en una superficie real
1621 El perfiloacutemetro
El rugosiacutemetro o perfiloacutemetro es por mucho el equipo maacutes utilizado en la industria para medir la
rugosidad de componentes comunes El principio de operacioacuten de este equipo es simple una fina
punta en contacto con la superficie a analizar realiza un barrido controlado en liacutenea recta y las
variaciones de alturas se convierten en sentildeales eleacutectricas que son debidamente registradas
Figura 113 Perfiloacutemetro o rugosiacutemetro
28
163 Microscopiacutea electroacutenica de barrido (MEB)
En el microscopio electroacutenico de barrido se construyen imaacutegenes aprovechando la emisioacuten de
electrones (electrones secundarios) de una muestra cuando sobre ella incide un haz enfocado de
electrones de alta energiacutea La muestra tambieacuten emite rayos X los cuales pueden ser analizados para
obtener informacioacuten sobre la composicioacuten del material [26] Cada sentildeal del MEB es captada con
un detector apropiado
Los electrones emitidos por la interaccioacuten del haz incidente y la muestra son colectados por
los correspondientes detectores para producir una sentildeal eleacutectrica la cual se utiliza para modular la
intensidad de un haz de electrones que incide en la pantalla de un tubo de rayos catoacutedicos (TRC)
de manera que mediante un barrido sincronizado del haz incidente en la superficie de una muestra
y del haz incidente en la pantalla del TRC se produce la imagen de la muestra [26]
La emisioacuten de electrones y de rayos X de la muestra se origina por las colisiones de
electrones del haz incidente con electrones de los aacutetomos del material de la probeta tal como se
puede observar en la Figura 114
Algunas colisiones son elaacutesticas de modo que algunos electrones del haz primario pueden
salir de la superficie de la muestra sin una significativa peacuterdida de energiacutea estos son los llamados
electrones reflejados Pero la mayoriacutea de las colisiones son inelaacutesticas y entre otros efectos
originan emisioacuten de electrones de baja energiacutea conocidos como electrones secundarios
Figura 114 Ilustracioacuten esquemaacutetica de la emisioacuten de electrones rayos X y fotones por la
interaccioacuten de un haz incidente de electrones con la muestra
29
1631 Componentes baacutesicos del MEB
Cantildeoacuten de electrones que produce un haz con energiacutea entre 5 keV y 30 keV con un diaacutemetro
efectivo entre 01 microm y 10 microm
Lentes electromagneacuteticas condensadoras que reducen el diaacutemetro del haz de manera que en
la superficie de la muestra se tiene un diaacutemetro apropiado al aumento de la imagen
Apertura final la cual controla la divergencia del haz incidente en la muestra
Una lente objetivo que enfoca el haz en la superficie de la muestra
Sistema de barrido el cual permite la construccioacuten de la imagen en la pantalla del TRC por
el barrido del haz en la superficie de la muestra
Detectores de sentildeales emitidas por la muestra (Electrones secundarios electrones
reflejados rayos X etc)
Tubo de rayos catoacutedicos para presentacioacuten de la imagen
Figura 115 Componentes baacutesicos del MEB
164 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (MFA)
La microscopiacutea de fuerza atoacutemica es una teacutecnica relativamente nueva que permite obtener
imaacutegenes de superficies a escala molecular [27] El microscopio consta esencialmente de una punta
de Si3N4 montada sobre un fleje Con esta punta se realiza un barrido sobre la superficie de la
muestra la cual se situacutea sobre un escaacutener piezoeleacutectrico El funcionamiento del microscopio se
basa en el control por un ordenador de la fuerza ejercida por la punta durante el barrido (Ver Figura
30
116) En el modo denominado de contacto la fuerza punta-muestra se mantiene constante
mediante un sistema de retroalimentacioacuten basado en los siguientes puntos
1) La variacioacuten de la fuerza punta-muestra se traduce en movimientos verticales y horizontales
del fleje que hacen variar la direccioacuten de un rayo laacuteser incidente sobre eacutel Estos cambios en
la direccioacuten del laacuteser son recogidos por un fotodetector y analizados por un ordenador
2) Los aumentos o disminuciones de fuerza son compensados por el ordenador que enviacutea una
sentildeal al piezoeleacutectrico para que acerque o aleje la muestra a la punta
3) Tanto las variaciones del haz luminoso como los movimientos controlados del
piezoeleacutectrico son convertidos por el ordenador en un mapa topograacutefico de la superficie
Figura 116 Funcionamiento de un MFA
165 Difraccioacuten de rayos X (DRX)
El meacutetodo de difraccioacuten por rayos X es una herramienta poderosa para investigar la disposicioacuten
ordenada de los aacutetomos o moleacuteculas por medio de la interaccioacuten de la radiacioacuten electromagneacutetica
para producir efectos de interferencia con estructuras comparables en tamantildeo a la longitud de onda
de la radiacioacuten
31
Al igual que con los tipos de radiacioacuten electromagneacutetica la interaccioacuten entre el vector
eleacutectrico de la radiacioacuten X y los electrones de la materia que atraviesa da lugar a una dispersioacuten
Cuando los rayos X son dispersados por el entorno ordenado de un cristal tienen lugar
interferencias (constructivas y destructivas) entre los rayos dispersados ya que las distancias entre
los centros de dispersioacuten son del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la radiacioacuten
La teacutecnica de difraccioacuten de rayos X aplicada al estudio de materiales permite obtener
informacioacuten importante sobre distintos aspectos de los mismos Para recubrimientos [28] eacutesta
teacutecnica es imprescindible para determinar
Tipo de estructura (FCC HCP etc)
Esfuerzos residuales
Microdeformaciones
Tamantildeo de grano
Fases presentes
Proporcioacuten relativa de las fases
1651 Base fiacutesica de la difraccioacuten de rayos X
El fenoacutemeno de difraccioacuten es la interferencia entre las ondas que se genera cuando hay un objeto
en su trayecto Para comprender mejor esto supoacutengase dos planos reticulares 1 y 2 tal como en la
Figura 117 de un cristal con una distancia d entre ambos converge un haz de rayos X procedente
de A con un aacutengulo de incidencia θ este haz en parte se refleja sobre el primer plano hacia F y
en parte atraviesa y se refleja sobre el plano 2 hacia F3 y asiacute sucesivamente sobre los otros planos
[29]
Figura 117 Esquema de la difraccioacuten de rayos X
32
En el punto D se sobrepone un rayo reflejado por el primer plano reticular y el otro del
segundo cuya diferencia de camino despueacutes de la reflexioacuten es CD-ED Si tal diferencia es un
muacuteltiplo entero n de la longitud de onda λ de la radiacioacuten X los dos rayos en D estaraacuten en
concordancia de fase y sobreponieacutendose aumentaraacute su intensidad
Por el contrario si estaacuten en discordancia tenderaacuten a anularse Para que se verifique esta
condicioacuten es necesario que las magnitudes λ d θ y n satisfagan la relacioacuten de la Ley de Bragg
nλ = 2 d sen θ
166 Resistencia a la polarizacioacuten lineal (RP)
La teacutecnica electroquiacutemica llamada Resistencia a la Polarizacioacuten es el resultado de la aproximacioacuten
de bajo campo a la ecuacioacuten de Butler-Volmer y por este motivo se debe aplicar solamente cuando
exista control activacional o por transferencia de carga
Los materiales que son susceptibles de ser evaluados mediante la aplicacioacuten de la RP deben
estar inmersos en electrolitos conductores es decir que la resistividad de las soluciones no sea alta
y deben encontrarse libres de peliacuteculas resistivas
1661 Procedimiento experimental
Para realizar un estudio experimental de Resistencia a la Polarizacioacuten lo mejor es acudir a la norma
ASTM G 59-91 [32] En general los pasos a seguir de acuerdo a la norma son los siguientes
Usar un puente salino que acerque el electrodo de referencia a 2 o 3 mm de la superficie
del electrodo de trabajo
Registrar el potencial de corrosioacuten despueacutes de 5 minutos
Aplicar un potencial 30 mV maacutes negativo que el potencial registrado
Un minuto despueacutes de que se aplique el potencial se inicia un barrido con direccioacuten anoacutedica
a 06 Vh (10 mVmin) registrando el potencial y la corriente continuamente
Terminar el barrido cuando se alcanza un valor de 30 mV positivo que el potencial de
corrosioacuten
Graficar la curva de polarizacioacuten
Determinar graacuteficamente la resistencia a la polarizacioacuten como la tangente a la curva en el
origen de la graacutefica
Ec 17
33
167 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica (EIE)
La teacutecnica de Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica es un meacutetodo electroquiacutemico
utilizado en estudios de corrosioacuten el cual se basa en el uso de una sentildeal de corriente alterna (CA)
que es aplicada a un electrodo (metal en corrosioacuten) y determinando la respuesta correspondiente
En el procedimiento experimental comuacutenmente utilizado se aplica una sentildeal sinusoidal de
voltaje y se mide su respuesta en corriente a diferentes frecuencias aunque es posible aplicar una
pequentildea cantidad de corriente y medir la respuesta del potencial El voltaje la corriente y la
frecuencia son relacionadas por la impedancia en una forma anaacuteloga a la ley de Ohm
V = IZ
Donde Z es la impedancia del circuito A diferencia de la resistencia la impedancia de un
circuito puede depender de la frecuencia aplicada
Cuando se aplica una sentildeal de CA incluso en un sistema de corrosioacuten sencillo se comporta
de manera maacutes complicada que una sola resistencia Pues existe tambieacuten una capacitancia la de la
doble capa electroquiacutemica (Cdl) que es debida a la carga de las especies existentes en la interfase
metal-electrolito y que se encuentra presente en todos los sistemas corrosivos Ademaacutes estaacute la
resistencia de la solucioacuten (Rs) para que se le permita La combinacioacuten de estos tres componentes
proporciona un circuito equivalente simple para un metal que se corroe Dicho circuito es una
combinacioacuten de elementos eleacutectricos tales como resistores y capacitores lo que da la misma
respuesta a sentildeales eleacutectricas como el metal real que se corroe [30] El circuito simple descrito
anteriormente se muestra en la Figura 118
Figura 118 Circuito equivalente simple
Los espectros de impedancia se pueden utilizar para identificar y cuantificar las
capacitancias en el sistema y para separar diferentes resistencias por ejemplo la resistencia de la
solucioacuten y la resistencia a la polarizacioacuten A altas frecuencias la resistencia de la solucioacuten se puede
cuantificar A frecuencias maacutes bajas los diferentes tipos de procesos se producen en diferentes
Ec 18
34
escalas de tiempo (en diferentes frecuencias) y puede ser posible identificar los procesos de
difusioacuten o los fenoacutemenos de adsorcioacuten y desorcioacuten [3031]
1671 Representaciones graacuteficas
Solamente existen dos maneras de representar los valores experimentales de la espectroscopia de
impedancia electroquiacutemica
1 Diagramas de Nyquist Tipo de representacioacuten maacutes comuacuten que consiste en graficar los
valores de la impedancia real frente a los de la impedancia imaginaria Estos diagramas
permiten identificar la resistencia del electrolito la resistencia a la transferencia de carga y
la resistencia a la polarizacioacuten [3031] en la mayor parte de los casos La Figura 119
muestra un ejemplo de este tipo de diagramas
Figura 119 Representacioacuten de la impedancia mediante un diagrama de Nyquist
2 Diagramas de Bode En este tipo de representaciones se pueden obtener dos diagramas el
moacutedulo de la impedancia y el aacutengulo de fase (Figura 120) Tambieacuten en funcioacuten de la parte
real o la imaginaria pero en escala logariacutetmica Ambos graacuteficos son particularmente uacutetiles
cuando existen constantes de tiempo con valores muy proacuteximos que no se pueden distinguir
en los diagramas de Nyquist
35
Figura 120 Representacioacuten de la impedancia mediante Bode a) Aacutengulo de fase b) Moacutedulo de
impedancia
1672 Ecuacioacuten de Brug
Como bien se sabe el objetivo de los experimentos de EIS es a menudo extraer la capacitancia de
las peliacuteculas (posiblemente como una funcioacuten del potencial aplicado) y por lo tanto para obtener
informacioacuten sobre las propiedades dieleacutectricassemi-conductoras de dichas peliacuteculas Sin embargo
en diversos sistemas la estimacioacuten de la capacitancia es difiacutecil debido a que un comportamiento
de elemento de fase constante (CPE) se observa en lugar de un comportamiento capacitivo
Brug [33] propuso una foacutermula (Ec 19) que relaciona la resistencia del electrolito (Re) y
la resistencia a la transferencia de carga (Rtc) donde es posible calcular la capacitancia contenida
en el CPE
119862 = 1198761
120572[119877119890minus1 + 119877119905119888minus1]1minus120572
120572
Donde C es la capacitancia Q es el factor de Brug Re es la resistencia del electrolito Rtc
es la resistencia a la transferencia de carga y α es la pendiente de la impedancia calculada a bajas
frecuencias
Ec 19
36
Capiacutetulo 2 Desarrollo Experimental
21 Preparacioacuten superficial de muestras
A partir de una laacutemina de acero 1018 de 150 x 1 m se cortaron 48 placas de 10 x 2 cm cada una
con una cizalla ya que se necesitaba que cada muestra fuera perfectamente paralela para el proceso
de electrodeposicioacuten
Las placas de acero presentaban una capa de oacutexido por lo que se siguioacute la norma ASTM
G1 [34] para decapar cada muestra durante 10 minutos en HCl al 50 (Ver figura 21) para
posteriormente lavarse con agua potable y asiacute pasar al lijado con granulometriacutea 180 240 320 400
y 600 Seguido de un lavado con agua destilada para eliminar residuos de material removido y
finalizando con un bantildeo de acetona para retirar cualquier resto de humedad y grasa
Figura 21 Decapado de muestras
22 Medicioacuten de campo magneacutetico y determinacioacuten de polos
Para los electrodepoacutesitos con influencia de un campo magneacutetico se utilizaron dos imanes de
neodimio sin embargo no teniacutean sentildealizacioacuten alguna para diferenciar sus polos ni se conociacutea el
valor del campo Entonces se utilizoacute una bruacutejula para determinar el norte y sur de cada imaacuten asiacute
como se aprecia en la Figura 22
37
Figura 22 Determinacioacuten de los polos
Y el campo magneacutetico se midioacute con un gausiacutemetro Marca RFL modelo 91 (Figura 23)
Figura 23 Medicioacuten de campo magneacutetico
23 Preparacioacuten del electrolito
Para el proceso de electrodeposicioacuten se empleoacute un bantildeo Watts estaacutendar [35] cuya composicioacuten se
presenta en la Tabla 21
38
Para la deposicioacuten electroliacutetica sin campo se preparoacute un litro de solucioacuten y para la que teniacutea
influencia de campo magneacutetico se hicieron dos litros
24 Obtencioacuten de recubrimientos
Para las electrodeposiciones se utilizoacute una fuente de poder marca Good Will Instrumets modelo
GPR-3510HD En cuya terminal negativa se conectoacute el caacutetodo (acero 1018) y en la positiva el
aacutenodo (niacutequel soacutelido Figura 24) Ambos electrodos se colocaron paralelamente cara con cara
Figura 24 Rondelas de niacutequel
Los electrodepoacutesitos de niacutequel sobre acero 1018 con y sin influencia de campo magneacutetico
se llevaron a cabo a voltaje constante siendo eacuteste de 4 V midiendo la corriente resultante al
finalizar el proceso las muestras se lavaron con agua destilada y se dejaron secar al ambiente Se
realizaron seis condiciones diferentes tal como lo muestra la Tabla 22
En el caso de los electrodepoacutesitos en presencia de campo magneacutetico se utilizaron dos
imanes de Neodimio (Valor fluctuante de 15 a 34 T) los cuales se instalaron en la cuba
electroliacutetica el polo norte cerca del aacutenodo y el polo sur del caacutetodo tal como lo muestra la Figura
25
39
Figura 25 Montado de cubas electroliacuteticas (izq) sin campo magneacutetico (der) con imanes de
neodimio
25 Evaluacioacuten electroquiacutemica de los recubrimientos
Las muestras electrodepositadas con y sin presencia de campo magneacutetico se fijaron a una celda
de acriacutelico con un aacuterea de exposicioacuten de 133 cm2 en dicha celda se vertioacute una solucioacuten de NaCl
al 3 en peso se colocoacute una tapa y se introdujeron un electrodo de referencia de AgAgCl y un
contra-electrodo de grafito Dicha celda se conectoacute a un potenciostato marca Bio-logic modelo
SP-150 controlado mediante una computadora de escritorio con su respectivo software El
dispositivo utilizado para las pruebas se puede ver en la Figura 26a
Figura 26 a) Montado de pruebas electroquiacutemicas b) Celda de trabajo con el electrodo de
referencia (ER) el contra-electrodo (EA) y el electrodo de trabajo (ET)
40
251 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
Se utilizoacute la teacutecnica de RP en modo potenciodinaacutemico en un intervalo de plusmn 20 mVEcorr a una
velocidad de barrido de 01667 mVs haciendo la respectiva curva de polarizacioacuten mediante la
computadora Previo a esto el electrodo de trabajo se dejoacute estabilizar en el electrolito (NaCl al 3
peso) durante 30 minutos
252 Espectroscopia de Impedancia Electroquiacutemica
Al teacutermino de la medicioacuten de la RP el electrodo de trabajo se dejoacute a circuito abierto durante 15
minutos Posteriormente se utilizoacute la teacutecnica EIE en un intervalo de frecuencias de 50 kHz a 50
mHz a 7 puntos por deacutecada y 10 mV de perturbacioacuten
26 Caracterizacioacuten de los recubrimientos
Para la caracterizacioacuten superficial las placas se cortaron en una maacutequina dobladora a una medida
de 2 x 2 cm para asiacute poder ingresar a ciertos equipos Se eligioacute una muestra de cada condicioacuten
tanto con y sin influencia de campo magneacutetico
261 Dureza
Los estudios de dureza fueron obtenidos con un microduroacutemetro de Vickers marca
Mitutoyo Colocando las placas en el portamuestras del microscopio se hizo incidir el indentador
de diamante aplicando una carga de 10 kgf durante 20 s para un acero suave [36] Este
procedimiento se realizoacute 5 veces por muestra para obtener un promedio de dureza
262 Rugosidad
Se utilizoacute un rugosiacutemetro marca Mitutoyo modelo Surftest-402 Las muestras se colocaron
en una superficie plana y sobre ella se situoacute el palpador con punta coacutenica tal como lo muestra la
Figura 27 posteriormente se calibroacute dicha punta y entonces el equipo realizoacute un pequentildeo recorrido
sobre la superficie con el que determinoacute la rugosidad de cada muestra en microm
41
Figura 27 Medicioacuten de rugosidad
263 Microscopiacutea Electroacutenica de Barrido
Para esta caracterizacioacuten de las placas se utilizoacute el Microscopio Electroacutenico de Barrido de
alto-bajo vaciacuteo Jeol JSM 6610LV con un voltaje de 20 kV y una distancia de trabajo de 10 mm
Las placas se colocaron en un portamuestras (Figura 28) y se analizaron a alto vaciacuteo Las imaacutegenes
se formaron con una sentildeal de electrones secundarios a 500 1000 y 5000X
Figura 28 Probetas antes de entrar al MEB
264 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
Se utilizoacute un Microscopio de Fuerza Atoacutemica marca Asylum Research modelo Cypher que cuenta
con una punta de silicio que tiene una constante de 2 Nm (conforme se va desgastando va
disminuyendo su valor)
Para las muestras sin influencia de campo magneacutetico se utilizoacute el modo contacto es decir
la fuerza entre la punta y la muestra son constantes En el caso de las muestras con influencia de
campo magneacutetico que mostraron una superficie menos rugosa y maacutes faacutecil de medir
topograacuteficamente se usoacute el modo no contacto por lo que la punta no tocaba la muestra sino que
42
oscilaba a una distancia de entre 1 y 10 nm Todas las imaacutegenes se obtuvieron en un aacuterea de 10 x
10 microm a una velocidad de barrido de 10 Hz escaneando 512 liacuteneas generadas por 512 puntos en
zonas especiacuteficas
265 Difraccioacuten de rayos X
Para esta caracterizacioacuten se utilizoacute un difractoacutemetro de rayos X marca Siemens modelo D5000
Las condiciones de operacioacuten fueron las siguientes velocidad de barrido de 05 s incrementos de
0035cps 35 kV y 25 mA El intervalo de aacutengulo seleccionado fue 2θ = 30 a 120deg que es el
rango donde aparecen la mayoriacutea de los picos caracteriacutesticos del niacutequel [37]
43
Capiacutetulo 3 Resultados y discusioacuten
Para una mejor comprensioacuten de los resultados eacutestos se presentan de manera comparativa en
funcioacuten del tiempo de electrodeposicioacuten con y sin campo magneacutetico analizando dichos
recubrimientos con las teacutecnicas electroquiacutemicas planteadas en el capiacutetulo de metodologiacutea
experimental tambieacuten se realizaron anaacutelisis del comportamiento de las propiedades fiacutesicas tales
como dureza rugosidad y espesor para determinar la influencia del campo magneacutetico durante la
electrodeposicioacuten de niacutequel
31 Eficiencia de los electrodepoacutesitos
La Figura 31b muestra las reacciones que se llevaron a cabo en el proceso de electrodeposicioacuten
Como ya se sabe en el aacutenodo se lleva a cabo la oxidacioacuten del niacutequel y en el caacutetodo la reduccioacuten
del mismo Sin embargo en el caacutetodo tambieacuten se lleva a cabo la reaccioacuten de reduccioacuten del
hidroacutegeno ya que el medio usado para la electrodeposicioacuten es aacutecido (pH = 3) por ello la eficiencia
en el caacutetodo no es del 100
Figura 31 Reacciones ocurridas durante la electrodeposicioacuten de Ni
311 Caacutelculo de masa depositada
Para conocer la masa de Ni depositada en el acero 1018 se realizaron mediciones de peso antes y
despueacutes de que las placas fueran sometidas al proceso de electrodeposicioacuten Sin embargo como el
aacuterea de electrodepoacutesito no es la misma en todas las placas se compara la masa depositada por
centiacutemetro cuadrado tal como lo muestra la Tabla 31
44
En la tabla 31 se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten de
niacutequel la masa por unidad de aacuterea aumenta Esto se cumple para ambas temperaturas (30degC y 60degC)
y ambas condiciones (sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico) sin embargo se demostraraacute
maacutes adelante que el aumento de masa no es garantiacutea de una reduccioacuten de la velocidad de corrosioacuten
(Grafico 31) Es importante sentildealar que tanto a 30degC como a 60degC la masa de niacutequel disminuye
cuando se utiliza el campo mageacutentico sin embargo a 30degC esto no se cumple debido a que hay un
aumento de masa
312 Eficiencia en corriente
Es importante mencionar que en todos los electrodepoacutesitos la corriente final era menor que la
inicial Dicha caiacuteda de corriente se debioacute a la formacioacuten de una capa de oacutexido en el aacutenodo Figura
32 lo que ocasionoacute una disminucioacuten en la entrega de cationes (Ni2+) a la solucioacuten
Figura 32 Aacutenodo de Ni con capa de oacutexido
La eficiencia en corriente se evaluoacute con la foacutermula del Anexo 1-A y se tomoacute el valor de la
corriente inicial para dicho caacutelculo Los resultados se muestran en la Tabla 32 Mientras que
Ferreira y Colnago [12] reportaron obtener eficiencias del doble para sus peliacuteculas de cobre en
45
este caso se puede notar que la presencia del campo magneacutetico provoca una disminucioacuten en el
rendimiento del sistema
La fuente de poder se debe regular para poder otorgar los 4 V que el proceso de
electrodeposicioacuten requiere y desde el momento en que se enciende el aparato empieza a mandar
corriente Por ello ciertas eficiencias sobrepasan el 100 pues el tiempo de ajuste se excedioacute maacutes
de 50 segundos
32 Resistencia a la polarizacioacuten lineal
En la Figura 33 se observan los resultados de la resistencia a la polarizacioacuten en funcioacuten de la
temperatura y del tiempo de exposicioacuten A 60degC se observa que el campo magneacutetico provoca una
disminucioacuten de la resistencia a la polarizacioacuten para los diferentes tiempos de electrodepoacutesito
realizados lo cual se traduce en un aumento de la velocidad de corrosioacuten de acuerdo con la
ecuacioacuten de Stern y Geary (Ec 14) Este efecto de disminucioacuten de la Rp tambieacuten se observa en
los datos a 30degC con excepcioacuten del tiempo 7 minutos
46
Figura 33 Valores de Resistencia a la Polarizacioacuten Lineal
En la Tabla 33 se presentan las variaciones de icorr y Vcorr sin campo magneacutetico y en
presencia de campo magneacutetico a 30deg y 60deg en funcioacuten del tiempo de electrodepoacutesito
En la Graacutefica 31 se puede observar que a 60degC con mayor tiempo de electrodeposicioacuten de
Ni disminuye la Vcorr Sin embargo se puede notar que con la presencia del campo las velocidades
de corrosioacuten son mayores pero respetando la tendencia antes mencionada
60degC17min CM
60degC17min SC
60degC12min CM
60degC12min SC
60degC7min CM
60degC7min SC
30degC17min CM
30degC17min SC
30degC12min CM
30degC12min SC
30degC7min CM
30degC7min SC
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Rp (Ohm cm2)
47
Graacutefica 31 Velocidades de corrosioacuten a 30 y 60degC en diferentes tiempos de electrodeposicioacuten
La tabla 34 muestra los valores de Ecorr para ambas temperaturas (30degC y 60degC) y en las
dos condiciones ensayadas (sin campo y con campo) Sin campo magneacutetico y con excepcioacuten de
30degC y 17 min se observa que a medida que aumenta el tiempo de electrodepositacioacuten el Ecorr se
desplaza hacia valores menos negativos al mismo tiempo que la Vcorr disminuye (Tabla 33) De
acuerdo con la Teoriacutea de Potencial Mixto explicada por Evans el sistema se encuentra bajo un
control tipo anoacutedico es decir que la reaccioacuten de oxidacioacuten de niacutequel se desplaza para dar un Ecorr
menos negativo al mismo tiempo que reduce la Vcorr
1198731198942+ + 2119890minus harr 119873119894deg
Sin embargo a 30degC y 17 min el sistema se encuentra bajo control catoacutedico debido a que
persiste la disminucioacuten de Vcorr ahora con un cambio en el potencial hacia valores maacutes negativos
Al comparar los valores de Ecorr sin campo magneacutetico con los de campo magneacutetico se observa que
para la temperatura 60degC los valores de Ecorr se desplazan hacia valores maacutes electronegativos
Como se discutioacute anteriormente esto se debe a un control cineacutetico tipo anoacutedico Cuando se
considera la temperatura de 30degC se observa un desplazamiento hacia valores menos negativos es
7min 12min 17min
000
002
004
006
008
010
Vco
rr (
mm
an
o)
Tiempo de electrodeposicion
60degC Sin campo
60degC Con campo
30degC Sin campo
30degC Con campo
48
decir la cineacutetica estaacute controlada por la reaccioacuten catoacutedica Diversos trabajos reportan este mismo
efecto en donde el campo magneacutetico tiene un efecto sobre la reaccioacuten de reduccioacuten de oxiacutegeno
1198742 + 21198672119874 + 4119890minus harr 4119874119867minus
33 Espectros de Impedancia Electroquiacutemica
Como se mencionoacute previamente en el apartado 167 referente a la teacutecnica de impedancia
mediante esta teacutecnica es posible evidenciar y cuantificar el efecto que tiene la capacitancia de una
interface electroquiacutemica y asiacute proporcionar informacioacuten complementaria al estudio de corrosioacuten
Las graacuteficas 32 33 y 34 correspondientes a los diagramas de Nyquist obtenidos en los
tres diferentes tiempos de electrodeposicioacuten a 60degC con y sin influencia de campo magneacutetico
Revelan en los tres casos que el campo magneacutetico disminuye la resistencia a la transferencia de
carga (Rtc) es decir el proceso de corrosioacuten se ve favorecido tal como se pudo mostrar en los
resultados de resistencia a la polarizacioacuten De igual manera se observa una disminucioacuten en la
resistencia del electrolito (Rs) esto debido a la fuerza convectiva (visible) que ejerce el campo
magneacutetico en el electrolito el cual provoca una mejor difusioacuten de los iones dicha informacioacuten es
consistente a lo reportado por Calivar e Ispas [67]
49
Graacutefica 32 EIE de 60degC a 7min
Graacutefica 33 EIE de 60degC a 12min
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
500
1000
1500
2000 50 mHz
60degC 7min SC
60degC 7min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
0
1000
2000
3000
50 mHz
60degC 12min SC
60degC 12min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
50 kHz
50 mHz
Re(Z) (Ohm cm2)
50
Graacutefica 34 EIE de 60degC 17min
34 Dureza Rugosidad y Espesor
La Tabla 35 muestra que la aplicacioacuten de un campo magneacutetico durante el proceso de
electrodeposicioacuten de niacutequel provoca que la dureza disminuya lo que significa que el recubrimiento
es menos susceptible a fracturarse este resultado es similar a lo reportado por Zielinski [11] y la
disminucioacuten de fracturas en sus peliacuteculas de Co-W ante la presencia de un campo magneacutetico
Tambieacuten es importante sentildealar que la rugosidad de cada niquelado presentoacute un
empobrecimiento lo que significa que el campo magneacutetico ayuda a obtener recubrimientos maacutes
uniformes
0 3000 6000 9000 12000 15000 18000 21000
0
3000
6000
9000
12000
15000
18000 50 mHz
60degC 17min SC
60degC 17min CM
-Im
(Z)
(Oh
m c
m2)
Re(Z) (Ohm cm2)
50 kHz
50 mHz
51
Los espesores fueron calculados mediante la foacutermula que aparece en el Anexo 1-B y se
puede notar que eacuteste decrece ante la presencia del campo magneacutetico Esto se puede constatar de
igual forma a partir de los datos de impedancia los cuales permitieron calcular los valores de
capacitancia a partir de la ecuacioacuten de Brug (Ec 19) cuyos resultados se muestran en la Tabla
36
Como se puede observar los valores de capacitancia con el campo magneacutetico son mayores
en un orden de magnitud que aquellos donde no existe el campo permitiendo confirmar que el
espesor maacutes delgado se encuentra con la influencia del campo
35 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica
A continuacioacuten se muestran las imaacutegenes topograacuteficas obtenidas en el MFA Con lo cual se puede
corroborar que ocurre una disminucioacuten en la rugosidad de las peliacuteculas de niacutequel con presencia de
campo magneacutetico
52
Figura 34 Topografiacuteas a 60degC-7min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 35 Topografiacuteas a 60degC-12min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
Figura 36 Topografiacuteas a 60degC-17min a) Sin campo magneacutetico b) Con campo magneacutetico
36 Difraccioacuten de Rayos X
Los patrones de difraccioacuten de los recubrimientos de Ni en acero 1018 Figura 37 se caracterizan
por la presencia de los planos de la estructura cuacutebica centrada en las caras de acuerdo al PDF 03-
065-4899 [32] Esta fase cristalina estuvo presente en todos los recubrimientos
De acuerdo con lo reportado por Hu [33] la energiacutea de activacioacuten para la evolucioacuten de
hidroacutegeno es mayor en el plano (111) que en el plano (200) del Ni Dicho de otra manera en el
53
plano (200) habraacute maacutes produccioacuten de hidroacutegeno gaseoso durante el proceso de electrodeposicioacuten
de niacutequel lo que trae consigo posiblemente recubrimientos porosos
Figura 37 Patroacuten de DRX de electrodepoacutesitos de Ni a 60degC con y sin presencia de campo
magneacutetico
Para los depoacutesitos en presencia de campo magneacutetico a 7 y 12min se observa una orientacioacuten
preferencial en el plano (200) sin embargo el pico a 7min es mucho mayor que el de 12
comparando estos resultados con las pruebas electroquiacutemicas y de acuerdo a los reportado por Hu
[33] esto nos lleva a suponer que en este caso el recubrimiento es maacutes poroso y delgado de acuerdo
a las medidas de espesor (Tabla 35) Para el caso de 17min con campo magneacutetico se tiene una
orientacioacuten preferencial en el plano (111) esta muestra tiene un mejor comportamiento
electroquiacutemico de acuerdo a la Figura 33 ademaacutes de acuerdo a lo reportado por Hu [33] nos lleva
a deducir que este recubrimiento es el menos poroso de los tres con campo magneacutetico Lo anterior
explica por queacute la velocidad de corrosioacuten es mayor a 7min y va disminuyendo conforme aumenta
el tiempo de electrodeposicioacuten Y tambieacuten revela la causa por la que el potencial de corrosioacuten es
maacutes negativo en presencia del campo magneacutetico La porosidad tambieacuten nos explica la razoacuten por la
cual la dureza de los recubrimientos hechos en presencia del campo magneacutetico disminuye con
respecto a aquellos realizados en ausencia del mismo
40 45 50 55 600
4000
8000
12000
16000
20000
17min SC
17min CM
12 min CM
12 min SC
7min CM
Inte
nsid
ad
(U
A)
2 (grados)
60degC-7min SC
60degC-12min SC
60degC-17min SC
60degC-7min CM
60degC-12min CM
60degC-17min CM
Ni
7min SC
(111) (200)
54
La existencia de los poros en el recubrimiento propicia un par galvaacutenico Figura 38 entre
el niquelado electroliacutetico y el acero 1018 ya que este uacuteltimo es maacutes electronegativo por
consiguiente maacutes propenso a la corrosioacuten Tambieacuten estaacute el efecto de las diferencias de aacutereas entre
aacutenodo (acero) y caacutetodo (niquelado) siendo en este caso el caacutetodo quien posee mayor aacuterea de
exposicioacuten al ambiente es el aacutenodo quien se corroeraacute maacutes faacutecil y raacutepidamente
Figura 38 Esquema del par galvaacutenico formado en la peliacutecula de Ni
37 Microscopia Electroacutenica de Barrido
Las Figuras 39 310 y 311 muestran las imaacutegenes obtenidas en el MEB de los recubrimientos de
Ni a 60degC 7min 12min y 17min respectivamente Se aprecia una morfologiacutea maacutes uniforme con la
presencia de campo magneacutetico y las aglomeraciones de partiacuteculas metaacutelicas son mucho maacutes
grandes que sus homoacutelogos sin influencia del campo
55
Figura 39 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 7min con y sin influencia
de campo magneacutetico
56
Figura 310 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 12min con y sin
influencia de campo magneacutetico
57
Figura 311 Imaacutegenes obtenidas por MEB de los recubrimientos a 60degC 17min con y sin
influencia de campo magneacutetico
58
Conclusiones
A partir de los resultados experimentales obtenidos en el presente trabajo se puede concluir lo
siguiente
La eficiencia de electrodepositacioacuten es funcioacuten de la pureza del aacutenodo y de la corriente
aprovechada por la reaccioacuten de reduccioacuten de hidroacutegeno
El aumento en el tiempo de electrodepositacioacuten conduce a un aumento en la masa de niacutequel
electrodepositada esto es vaacutelido para la condicioacuten sin campo magneacutetico y con campo magneacutetico
sin embargo esto no garantiza la disminucioacuten de Vcorr
Sin campo magneacutetico los resultados obtenidos a 30degC y 60degC muestran que la Vcorr
disminuye conforme el tiempo de electrodepoacutesito de niacutequel aumenta Tambieacuten en ausencia del
campo las Vcorr obtenidas a 30degC son menores comparadas con las Vcorr a 60degC a excepcioacuten de
17 min
Sin campo magneacutetico se observa que la degradacioacuten del niquelado estaacute controlada por una
cineacutetica anoacutedica lo cual es vaacutelido para 30degC y para 60degC con excepcioacuten de 30degC y 17 min donde
la cineacutetica que controla es catoacutedica Asimismo a 30degC con campo magneacutetico se observa que la
cineacutetica que controla el sistema es la catoacutedica lo cual sugiere que la reaccioacuten de reduccioacuten de
oxiacutegeno ser manipulada por el campo magneacutetico
En presencia del campo magneacutetico se encontroacute que la resistencia de la solucioacuten disminuyoacute
tanto a 30degC como a 60degC debido a una fuerza adicional convectiva que provoca el campo
magneacutetico
La Vcorr es dependiente de la cantidad de masa depositada pero tambieacuten del ordenamiento
cristalino que los aacutetomos de niacutequel adquieren al momento del electrodepoacutesito
En presencia del campo magneacutetico las micrografiacuteas MEB revelan superficies con menos
rugosidad respecto a las muestras sin campo magneacutetico
A 60degC hay poca o nula contribucioacuten del campo magneacutetico mientras que a 30degC si hay una
contribucioacuten del campo pero es negativa respecto a la Vcorr
59
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62
Anexo 1 Caacutelculos
1-A Caacutelculo de eficiencia
En la praacutectica la corriente suministrada a un sistema no es aprovechada al 100 pues hay
peacuterdidas de corriente por diversos motivos entre otros
a) Desviacioacuten de corriente por caminos secundarios
b) Impurezas de las soluciones (las cuales dan reacciones secundarias)
c) Resistencia eleacutectrica propia del bantildeo electroliacutetico
d) Peacuterdidas por transformacioacuten de energiacutea eleacutectrica a energiacutea caloriacutefica
e) Fenoacutemenos de polarizacioacuten
Entonces se puede decir que
Eficiencia en corriente = 119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119905119890oacute119903119894119888119886
119862119900119903119903119894119890119899119905119890 119904119906119898119894119899119894119904119905119903119886119889119886 119903119890119886119897x100
1-B Caacutelculo de Espesor
El meacutetodo maacutes satisfactorio para medir el espesor promedio de una capa es disolverla y determinar
el peso de la misma a partir de una muestra cuya aacuterea se conozca en el caso de este estudio se
pesaron las placas antes y despueacutes del electrodepoacutesito para determinar la masa depositada El
espesor se calcula asiacute a partir del peso y del aacuterea y de la densidad o peso especiacutefico del depoacutesito
utilizando la foacutermula
T (espesor) = 119862119882 (119901119890119904119900)
119860(aacute119903119890119886)times119863(119901119890119904119900 119890119904119901119890119888iacute119891119894119888119900)
En donde C es una constante que depende simplemente de las unidades utilizadas En
unidades meacutetricas la ecuacioacuten se transforma en
T(mm) = 10119882(119892119903)
119860(1198881198982)times119863
63
Anexo 2 Graacuteficas de Resistencia a la Polarizacioacuten
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 7min
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 12min
-0000006 -0000003 0000000 0000003
-040
-038
-036
-034
-032
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
-0000004 -0000002 0000000 0000002
-035
-034
-033
-032
-031
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
64
Resistencia a la polarizacioacuten a 60degC 17min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 7min
-00000006 -00000003 00000000 00000003 00000006
-026
-024
-022
-020
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM
-00000027 -00000018 -00000009 00000000 00000009 00000018
-028
-024
-020
-016
E (
V)
I (Acm2)
7min SC
7min CM
65
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 12min
Resistencia a la polarizacioacuten a 30degC 17min
-0000004 -0000002 0000000 0000002 0000004
-038
-036
-034
-032
-030
-028
-026
-024
E (
V)
I (Acm2)
12min SC
12min CM
-0000006 -0000003 0000000 0000003 0000006 0000009
-032
-031
-030
-029
-028
-027
-026
-025
-024
-023
E (
V)
I (Acm2)
17min SC
17min CM