Lo que se espera que proporcione la ingeniería de superficies
Un componente de aluminio sale del laminador con una película de óxido naturalmente pasiva de sólo unos pocos nanómetros de espesor. Protege el metal el tiempo suficiente para el transporte, pero es demasiado fino y blando para un entorno de servicio que implica abrasión, sal, productos químicos, limpieza repetida o unión estructural. La ingeniería de superficies reemplaza esa película natural con una capa diseñada deliberadamente o con un recubrimiento que se aplica encima de ella.
Los objetivos funcionales son normalmente una combinación de cuatro requisitos: resistencia a la corrosión, resistencia al desgaste, apariencia y adhesión para una posterior pintura o unión adhesiva. Debido a que esos requisitos a menudo entran en conflicto, los procesos se seleccionan como una secuencia en lugar de una sola operación - limpieza, pretratamiento, crecimiento del recubrimiento, coloración cuando sea necesario y sellado o curado.
Anodizado: hacer crecer el óxido en lugar de depositarlo
La anodización es un proceso de conversión electroquímica: la propia superficie de aluminio se consume y se reconstruye como un óxido anódico poroso. Los poros son los que hacen que el proceso sea tan versátil, porque pueden aceptar tintes y selladores.
| Proceso | Espesor típico del recubrimiento | Uso típico | Notas |
|---|---|---|---|
| Anodizado con ácido sulfúrico (Tipo II) | 5-25 µm | Componentes arquitectónicos y decorativos, viviendas de consumo. | Poroso, teñible, sellado en agua hirviendo o con un sello metálico de sal. |
| Anodizado duro (Tipo III) | 50-100 µm | Superficies de desgaste, cilindros, piezas deslizantes. | Ejecute en electrolito frío para limitar la quema; más denso y más duro |
| Anodizado con ácido fosfórico | Delgado, controlado | Preparación de unión adhesiva | Produce una estructura fina y adherible en lugar de una capa de desgaste. |
El color se obtiene absorbiendo tinte en los poros abiertos antes del sellado, o mediante coloración electrolítica, donde se depositan sales metálicas dentro de la estructura de los poros para dar tonos bronce y negro que resisten la decoloración mejor que los tintes orgánicos. El sellado hidrata el óxido y cierra los poros; es el paso que determina si el rendimiento contra la corrosión sobrevive años de exposición al aire libre.
Para trabajos arquitectónicos, la película anódica terminada se evalúa según los requisitos de rendimiento de AAMA 611 y las pruebas de corrosión siguen las normas ASTM B117 o ISO 9227 con niebla salina neutra. El espesor del recubrimiento y la calidad del sellado se verifican antes de que las piezas salgan de la línea, porque ambos son efectivamente irreversibles una vez que se ensamblan los componentes.
Recubrimiento en polvo: cobertura uniforme en geometría compleja
El recubrimiento en polvo se aplica electrostáticamente, por lo que las partículas cargadas se envuelven alrededor de los bordes, huecos y esquinas interiores que una pistola rociadora pasaría desapercibidas. Luego, la pieza recubierta se cura en un horno, donde el polvo se funde, fluye y se reticula formando una película de polímero continua.
Ventana de curación.Los polvos termoestables generalmente se curan a 180-200 grados y la combinación de tiempo-temperatura decide la densidad de reticulación final.
Durabilidad exterior.Los pigmentos y sistemas aglutinantes estables a los rayos UV- mantienen el color y el brillo estables en exteriores; Las formulaciones de fluoropolímero amplían la resistencia química y a la intemperie en entornos industriales.
Rango de apariencia.Los acabados van desde suaves de alto brillo hasta texturas finas y efectos de arrugas para superficies táctiles y antideslumbrantes-.
Economía de procesos.El exceso de pintura se puede recuperar y reutilizar, lo que mantiene alta la utilización del material en comparación con la pintura líquida, y las emisiones de compuestos orgánicos volátiles son bajas.
Recubrimientos de conversión y sus reemplazos sin-cromo
Los recubrimientos de conversión son películas químicas delgadas que se forman al hacer reaccionar la superficie de aluminio limpia con un baño de tratamiento. Casi no agregan cambios dimensionales, lo que los hace ideales para piezas con tolerancia estrecha-y para preparar una superficie para pintura o adhesivo.
Recubrimientos de conversión de cromatoproducen películas de color amarillo a verde con comportamiento-de autorreparación y están ampliamente especificadas para aleaciones de aluminio aeroespaciales. Su rendimiento está controlado por MIL-DTL-5541, con control de proceso del peso del recubrimiento por unidad de área.
Cromo trivalenteLos procesos ofrecen una apariencia similar y protección contra la corrosión sin cromo hexavalente, lo que simplifica el tratamiento de residuos y la protección de los trabajadores.
Sistemas de titanio-zirconioProporciona películas sin cromo-adecuadas para piezas arquitectónicas e industriales en general, y son compatibles con líneas de recubrimiento en polvo.
Tratamientos a base de ácido fosfóricoCrea una fina estructura de óxido que mejora la unión adhesiva en ensamblajes de automóviles.
Tratamientos superficiales mecánicos
No todos los requisitos de la superficie se resuelven con la química. Los tratamientos mecánicos cambian la topografía y el estado de tensión residual de la capa superficial.
| Tratamiento | Efecto en la superficie | Componente típico |
|---|---|---|
| Granallado | Introduce tensión residual de compresión. | Fatiga-soportes críticos y forjados |
| electropulido | Elimina micro-impurezas y nivela la micro-rugosidad | Limpiar-hardware médico y crítico |
| Acabado con brocha | Crea textura decorativa direccional. | Paneles y molduras arquitectónicas. |
| ablación con láser | Genera micro-cráteres controlados | Orificios de los cilindros de retención de aceite- |
| Pulido vibratorio | Desbarba y mezcla canales internos. | Intercambiadores de calor y colectores. |
El granallado es el único proceso de este grupo que actúa debajo de la superficie: la capa de compresión inducida retarda la iniciación de grietas por fatiga, razón por la cual se especifica en piezas de aluminio cargadas cíclicamente y no solo por su apariencia.
Recubrimientos avanzados y funcionales
Cuando la anodización o la pintura convencionales no son suficientes, la oxidación electrolítica por plasma convierte la superficie en una gruesa capa de óxido similar a la cerámica-con alta resistencia térmica y al desgaste. La deposición física de vapor aplica películas duras de nitruro, como el nitruro de aluminio y titanio, a herramientas de corte y piezas de desgaste. La química del sol-gel proporciona capas transparentes anti-huellas dactilares y fáciles-de limpiar para las superficies de los gabinetes, mientras que las pinturas nanocompuestas aumentan la resistencia a los rayones en aplicaciones de capas transparentes. Los acabados conductores se utilizan cuando se requiere blindaje electromagnético alrededor de componentes electrónicos sensibles.
La selección entre estas rutas sigue el modo de falla dominante. Una pieza que falla por desgaste necesita una capa dura; una pieza que falla por corrosión necesita una barrera o una película -autocurativa; una pieza que falla por fatiga necesita un campo de tensión de compresión; una pieza que falla por pérdida de pintura necesita promoción de adhesión en la interfaz.
Preguntas frecuentes
P: ¿Cómo protege el anodizado una superficie de aluminio?
El crecimiento electroquímico convierte la superficie del metal en una capa porosa de óxido de aluminio. El anodizado con ácido sulfúrico produce películas densas de aproximadamente 5 a 25 µm para piezas arquitectónicas, el anodizado duro en electrolito frío crea capas de desgaste de 50 a 100 µm, la absorción de tinte agrega color antes del sellado y el sellado en agua hirviendo hidrata el óxido para cerrar los poros.
P: ¿Cuáles son las principales ventajas del recubrimiento en polvo?
La aplicación electrostática proporciona una cobertura uniforme en geometrías complejas, el curado a 180-200 grados forma una red de polímeros reticulados-, los pigmentos resistentes a los rayos UV mantienen estable el color exterior, hay acabados texturizados disponibles para efectos táctiles y los grados de fluoropolímero añaden resistencia química para el servicio industrial.
P: ¿Cómo funcionan los recubrimientos de conversión?
Forman una película química delgada y-autocurativa al reaccionar con la superficie. Los sistemas de cromato se utilizan en aleaciones aeroespaciales, los sistemas de cromo trivalente y titanio-zirconio son alternativas libres de cromo-y los tratamientos con ácido fosfórico mejoran la unión adhesiva en ensamblajes automotrices.
P: ¿Qué tratamientos mecánicos mejoran la vida ante la fatiga?
Granallado, porque induce una capa de tensión residual compresiva que retarda la iniciación de grietas por fatiga. El electropulido, el acabado con cepillo, la ablación con láser y el pulido vibratorio cambian la rugosidad, la apariencia o los residuos en lugar del estado de tensión.
P: ¿Los pretratamientos sin cromo-son tan buenos como los recubrimientos de conversión de cromato?
Para muchas piezas arquitectónicas e industriales en general, las películas de titanio-zirconio coinciden con los sistemas de cromato en cuanto a adhesión de pintura y rendimiento contra la corrosión. Para aleaciones aeroespaciales de alta-demanda, los procesos alternativos se califican según el mismo peso de recubrimiento y criterios de aceptación de niebla salina antes de permitir la sustitución.
