principios de limpieza de metales - Tratamientos para superficies

PRINCIPIOS DE LIMPIEZA DE METALES
¿QUE SE ENTIENDE POR LIMPIEZA?
La limpieza consiste en la eliminación del polvo y suciedad.
¿POR QUE ES NECESARIO LA LIMPIEZA?
Muchos metales son protegidos contra la corrosión, oxidación o manchas
provocadas por la exposición a la intemperie con aceites u otros recubrimientos
protectivos. El estampado de metales y el pulido de superficies metálicas
requieren frecuentemente el uso de lubricantes a compuestos químicos que
asisten en la operación. Además siempre están presentes en el metal a procesar
residuos de soldadura, manchas de dedos y polvo del taller.
Las operaciones de acabado tales coro fosfatizado, pintado y electrodeposición
requieren que la superficie metálica esté libre de aceites protectores o
lubricantes para obtener una buena adherencia sobre el metal. Se ha observado
que desengrases con compuesto de silicio, mal formulados, dejan una película
invisible que no se enjuaga en agua o soluciones ácidas. A pesar de que este
film no interfiere en la adherencia, provoca que el posterior depósito electrolítico
aparezca sin brillo o cuarteado.
¿CUÁNDO SE REALIZA LA LIMPIEZA?
Las piezas o superficies requieren una limpieza previa en las operaciones de
tratamientos térmicos, soldadura, fosfatizado, pintura y electrodeposición.
La limpieza continúa a las operaciones de estampado, maquinado, tratamiento
térmico, desbastado y pulido, y está considerada como una etapa esencial en las
Operaciones de acabado y fabricación de piezas metálicas,
¿QUE ES UN SUPERFICIE LIMPIA?
El grado de limpieza es relativo. Es prácticamente imposible bajo condiciones
normales de producción obtener una superficie químicamente limpia (libre de
todo tipo de películas superficiales).
2
Una superficie limpia puede definirse como aquella en una película no deseable
ha sido reemplazada por otra más adecuada y aceptable para la
electrodeposición.
De la misma manera podría, extenderse esta definición al fosfatizado, pintura o
cualquier otra operación que requiera una superficie Iimpia.
Hasta el momento no se ha desarrollado ninguna prueba satisfactoria para
determinar el grado absoluto de limpieza de una superficie.
En producción el método más práctico es el de rotura de la película de agua. Sí
el agua escurre de la superficie en forma de una película continua, se considera
que la superficie está Iimpia. Si dicha película se rompe o no escurre en forma de
una película continua indica que no está limpia. No obstante este método ha sido
criticado, sobre la base de que la rotura de la película líquida sobre la superficie,
no sólo depende del espesor de la capa de agua, sino que también pueden
obtenerse falsas roturas de la superficie de agua como resultado de la adsorción
preferente del material hidrófilo.
TIPOS DE DESENGRASANTES
Solventes orgánicos
A.
B.
C.
De una sola fase.
Emulsionables.
De dos fases.
Acidos
Alcalinos
Los hidrocarburos, hidrocarburos clorados y fluoruros de carbono usados
fundamentalmente como pre-desengrase para eliminar el grueso de aceites y
grasas.
Se aplican por trapeado, rocío, inmersión, con o sin unidades, de agitación por
ultrasonido, o en equipos desengrasantes en fase vapor.
Los desengrasantes ácidos, que contienen productos ácidos, líquidos o sólidos,
son usados para eliminar residuos de soldadura, óxido, escamas de tratamiento
térmico u otros productos de corrosión.
3
Los desengrasantes alcalinos contienen sales inorgánicas alcalinas a los cuales
pueden agregarse jabones u otros agentes orgánicos tensoactivos. Están
formulados para eliminar aceites, grasas y partículas sólidas tales como polvo
del taller u otras suciedades. Bajo condiciones de trabajo apropiadas estos
desengrasantes alcalinos, pueden brindar un alto grado de limpieza.
¿COMO ES EL DESENGRASE POR VAPOR?
El primer paso consiste en sumergir las piezas en solvente hirviendo (87ºC.)
para eliminar la mayor parte de grasas y aceites. Las piezas son transferidas
luego a un segundo compartimento donde se encuentra el solvente más frío
(68ºC.) con el fin de disminuir la temperatura de las piezas. En una tercera etapa,
las piezas se colocan en zona de fase vapor, donde el solvente limpio condensa
en la superficie de las piezas, las que están más frías que el ambiente de vapor,
enjuagando y eliminando de esta manera todo residuo de aceite o grasa.
Luego de estas operaciones, las piezas se retiran del equipo, evaporándose los
restos de solvente al entrar las piezas en contacto con el aire.
Los solventes más usados para este tipo de Iimpieza son
percloroetileno o triclorotrifluoretano.
el tricloroetileno,
No todas las piezas son adecuadas para la limpieza con vapor, por ejemplo las
piezas porosas, de formas complicadas que puedan retener mucho solvente o
con una gran relación de superficie a peso. Por lo tanto es conveniente
consultar a los fabricantes de este tipo de equipos para determinar si las piezas a
tratar son aptas para desengrasarlas en equipos con solvente en fase vapor.
¿QUE SON LOS DESENGRASANTES POR EMULSIÓN?
Los desengrasantes por emulsión combinan la acción de los solventes, con
jabones o agentes tensoactivos, de manera que puedan dispersarse en agua. Se
diferencian de los solventes emulsionables en el hecho de que forman emulsión
en la solución de limpieza y no en la etapa de enjuague. Los solventes
basándose en hidrocarburos no son miscibles en agua.
Cuando se combinan con un agente tensoactivo compatible con el solvente
forman una emulsión lechosa que Indica la dispersión del solvente en el agua.
Cuando se utilizan como pre-desengrasantes en equipos por rocío, el solvente
de la emulsión reduce la viscosidad de las suciedades aceitosas y grasosas que
puedan contener partículas.
4
La acción mecánica del rocío y la acción química del agente tensoactivo
“arrancan” estas partículas sólidas de la superficie del metal y las deja en
suspensión en la etapa de enjuague.
Las superficies metálicas luego de la limpieza en los desengrasantes por
emulsión, tienen una fina película aceitosa que brinda a la pieza una protección
contra la oxidación. Por esta razón los desengrasantes por emulsión encuentran
su campo de aplicación en la Iimpieza de piezas que entrarán luego en otro
proceso de fabricación.
¿QUE SON LOS SOLVENTES DE DOS FASES?
Consisten en dos capas de líquidos no miscibles, una que tiene un solvente,
generalmente un hidrocarburo clorado y la otra capa de agua. La capa de agua
sirve como sello a la evaporación del solvente y asiste a la limpieza
reemplazando la película de solvente por otra miscible en agua. Este tipo de
desengrase se utiliza para eliminar depósitos carbonizados a quemados.
¿QUE SON LOS DETERGENTES ACIDOS?
Los detergentes ácidos están formulados para eliminar: escamas de tratamientos
térmicos, soldaduras, óxidos, productos de corrosión y manchas de humedad.
El ácido fosfórico es el más usado para la limpieza y preparación previa a la
pintura.
El ácido sulfúrico y clorhídrico para eliminar óxidos y escamas de tratamiento
térmico. El ácido cromico para aleaciones de zinc, aluminio y magnesio. El
ácido nítrico solo o con ácido fluorhídrico es usado para eliminar óxidos de
aleaciones de aluminio. Estos dos ácidos también se utilizan para eliminar
escamas de acero inoxidable. Otros ácidos tales como glucofénico, sulfámico,
cítrico, oxalico y acético tienen aplicaciones especificas.
Estos ácidos pueden combinarse con agentes tensoactivos para incrementar el
poder mojante y la detergencia, o con solventes para permitir la Iimpieza y
eliminación de óxidos en una sola etapa; y con inhibidores para prevenir el
ataque del metal base.
5
¿QUE SON LOS DETERGENTES ALCALINOS?
Los desengrasantes alcalinos combinan diversas sales alcalinas tales como
hidróxido de sodio, metasilicato, ortosilicato o trisilicato de sodio, carbonato de
sodio, tetraborato de sodio, fosfato trisodico, pirofosfato tetrasodico o
polifosfatos de sodio, junto con productos coloidales como jabones y agentes
tensoactivos. A diferencia de los solventes que disuelven los aceites, los
detergentes alcalinos los desplazan y suspenden o los emulsifican en la
solución; también reaccionan con los aceites formando jabones solubles. Los
detergentes alcalinos son usados para eliminar aceites y el polvo que se adhiere
a la superficie.
No deben emplearse soluciones fuertemente alcalinas sobre aluminio o zinc; en
estos casos deben emplearse desengrasantes especialmente inhibidos que
eviten el ataque al metal. Los desengrasantes alcalinos son usados para la
limpieza electrolítica antes de la electrodeposlclón.
FACTORES QUE DETERMINAN LA ELECCION DE DETERGENTES
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Superficie a ser limpiada.
Suciedad a ser eliminada.
Grado de limpieza requerida.
Calidad del agua.
Costo total de limpieza.
Consideraciones de seguridad.
Tratamiento de aguas residuales.
Método de aplicación.
¿QUE SUPERFICIES SON LAS MÁS COMUNMENTE LIMPIADAS?
Aluminio, bronce, latón, cobre, metales galvanizados, vidrio, hierro, aleaciones
de plomo, magnesio, monel, plata, acero inoxidable, estaño, titanio, zinc.
Los metales ferrosos, titanio y aleaciones de magnesio no son atacados por
soluciones fuertemente alcalinas.
6
Los metales no ferrosos tales como aleaciones de aluminio, cobre, plomo,
estaño y zinc pueden ser atacados por soluciones alcalinas no inhibidas. A
menos que se desee un mordentado de la superficie ya sea par razones estéticas
o de mayor adherencia del acabado posterior, deberá elegirse un desengrase con
inhibidor adecuado a estos metales.
¿QUE SUCIEDADES DEBEN ELIMINARSE?
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
j)
k)
l)
Residuos de los compuestos de rebabado. Pastas de pulido.
Aceites de corte.
Compuestos de maquilado.
Escamas de tratamientos térmicos.
Sales de tratamientos térmicos.
Pinturas, tintas.
Recubrimientos de fosfatos, con o sin aceite.
Aceites de estampado.
Productos de corrosión, óxidos.
Aceites protectores de la corrosión.
Manchas.
Impresión de dedos.
GRADO DE LIMPIEZA REQUERIDO
No todas las operaciones requieren el mismo grado de limpieza; sí las piezas
deben ser limpiadas entre procesos de fabricación para permitir inspección, etc.,
son protegidas contra la corrosión con una ligera película de aceite.
Si las superficies deben ser fosfatizadas, galvanizadas, pintadas, soldadas o
electrodepositadas, el grado de limpieza requerido es mayor para asegurar una
buena adherencia.
CALIDAD DEL SUMINISTRO DE AGUA
La dureza del agua es motivo de inconvenientes en la acción de la limpieza de los
desengrasantes alcalinos porque éstos forman jabones insolubles de calcio y
magnesio con el agua dura. Este problema se puede evitar en las soluciones
desengrasantes por medio de agentes secuestrantes de sales de calcio y
magnesio.
Estos agentes secuestrantes no actúan sobre el agua de enjuague, formándose
por lo tanto luego del enjuague el jabón insoluble, que después de Ia inmersión
en agua ácida, da lugar a la formación de ácidos orgánicos que cortan el agua
provocando a una mala adherencia de los depósitos. En estos casos habrá que
proveer la instalación de un ablandador de agua.
7
COSTO DE LA LIMPIEZA
F+S
-------- = C
(P-R)
donde:
C: costo unitario (por m2 o por pieza)
S: costo del producto desengrasante para llenar los baños más el necesario
para un mantenimiento diario.
F: costo de los factores que hacen el costo operativo.
P: número de piezas o dm2, procesados.
R: número de rechazos que deben ser reprocesados.
El costo de reprocesamiento y desplaque es un factor adicional que debe ser
evaluado cuando se selecciona un producto desengrasante. Es Importante la
elección de un buen desengrasante, que elimine los rechazos.
SEGURIDAD
El producto desengrasante deberá elegirse de tal manera que brinde los menores
riesgos de manipuleo posibles, es decir, evitar el aviso el uso de productos
altamente corrosivos, inflamables o que puedan producir peligros de explosión.
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
La elección del desengrasante debe ser tal, que no necesite de tratamientos
costosos al tener que descartar la solución al desagüe.
MÉTODOS DE APLICACIÓN
Las soluciones de limpieza pueden aplicarse de las siguientes maneras:
1. A mano con esponjas o cepillos.
2. En cubas con o sin agitación de mecánica, con o sin corriente eléctrica, o
con agitación ultrasónica.
3. Con equipos de rocío.
4. En tambores (a granel)
5. Mediante el uso de pistolas rociadoras.
8
Si la aplicación va a ser manual, el desengrasante deberá ser suave de manera
tal que no ataque a la piel; además no deberá ser ni tóxico ni inflamable. Los
desengrasantes por inmersión sin agitación requerirán altas concentraciones de
jabones o agentes emulsionantes. Los desengrasantes que estén agitados no
deberán poseer agentes emulsionantes que forman mucha espuma, esto es
Importante también en los desengrasantes electrolíticos y por rocío.
¿CUALES SON LOS REQUERIMIENTOS DE UN BUEN DESENGRASE ALCALINO?
Un buen desengrase alcalino cumplirá las siguientes funciones:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Saponifica las grasas.
Moja y emulsiona.
Deflocula.
Ablandador de agua.
Actúa como regulador de pH.
Inhibe el ataque del metal.
SAPONIFICACIÓN
Consiste en una reacción en la cual, soluciones fuertemente alcalinas tales como
soda cáustica, transforman grasas y aceites vegetales o animales en jabones
solubles en agua. Este proceso es muy usado para remover pinturas.
PODER MOJANTE Y EMULSIFICANTE
Los aceites y el agua no se mezclan, debido a la diferencia en las tensiones
superficiales. Para que el aceite y el agua se mezclen, se deben agregar agentes
tensoactivos tales como jabones, o agentes mojantes (detergentes sintéticos).
Estos agentes tensoactivos disminuyen la tensión superficial, manteniendo de
esta manera las grasas y aceites en emulsión; además de que permite que la
solución moje a las grasas y aceites y las desprenda de la superficie.
DEFLOCULACIÓN
Se incorporan a los desengrasantes coloidales que tienen partículas cargadas
eléctricamente, que atraen a las partículas de la suciedad que también están
cargadas, permitiendo de esta manera la dispersión de las partículas de la
suciedad, en el seno de la solución. Este fenómeno se conoce con el nombre de
defloculación.
9
ABLANDAMIENTO DEL AGUA
Un buen desengrasante contendrá productos químicos que disminuyan la dureza
del agua provocada por las sales de calcio y magnesio. Estos productos son los
llamados agentes secuestrantes, los cuales acomplejan a iones de calcio y
magnesio, eliminando de esta manera la posibilidad, de la formación de jabones
insolubles.
EFECTO DEL pH EN EL TIEMPO DE LIMPIEZA
El pH de una solución indica si la solución es ácida o alcalina.
Mayores pH indican mayor alcalinidad y menores pH mayor acidez.
corresponde a una solución neutra.
El pH 7
Los jabones y agentes tensoactivos tienen un rango de pH en el cual la
detergente es óptima, lo cual se traduce en un mínimo tiempo de limpieza. Es por
ello que un buen desengrasante debe contener sales que actúen de regulador de
pH, es decir, que mantengan a éste en el rango óptimo, aún cuando haya
contaminación del desengrase con productos ácidos o alcalinos.
INHIBICIÓN
Los materiales ferrosos no precisan inhibición, pues no son atacados por las
alcalinas: Pero cuando hay que desengrasar materiales no ferrosos que
contengan residuos del pulido, u otras suciedades que no se puedan eliminar
con solventes, hay que utilizar desengrasantes alcalinos con inhibidores que
impidan el ataque al metal no ferroso. Los inhibidores forman una fina película
protectora sobre la superficie del metal a medida que eliminan la suciedad,
evitando el ataque o manchado de la pieza, debido a la gran alcalinidad. Dicha
película protectora debe ser eliminada posteriormente para activar la pieza o ser
electrodepositada.
FACTORES QUE AFECTAN
DESENGRASANTES
EL
RENDIMIENTO
DE
LAS
SOLUCIONES
Cuando mayor es la concentración, mayor es el efecto de limpieza, es decir
menores son los tiempos necesarios. Pero una alta concentración aumenta los
costos de limpieza y además hace más difícil el enjuague. Se determina por
titulación.
10
TEMPERATURA
Mayor temperatura disminuye los tiempos de limpieza necesarios.
Los desengrasantes ácidos puedes usarse fríos. Los desengrasantes alcalinos
se usan en general calientes, con temperaturas que van de 60º a 90ºC. Por cada
12ºC. de aumento de temperatura disminuye el tiempo necesario en un 50%. Las
condiciones que limitan las altas temperaturas son:
Metales sensibles a las temperaturas.
Secado del desengrase en la pieza antes de entrar al enjuague, lo cual puede dar
lugar a manchas.
Descomposición de los ablandadores de agua.
CONTAMINACIÓN
La contaminación de los desengrasantes, es debida a la misma suciedad que se
va eliminando de las piezas que quedan en la solución en forma de partículas
sólidas, que sedimentan en el fondo y grasas o aceites que permanecen en
solución en forma de una emulsión.
No hay un procedimiento analítico para determinar la contaminación del
desengrase ya que la titulación solo da la acidez a alcalinidad total. Por lo tanto
la estimación de la vida útil del desengrase deberá realizarse empíricamente.
AGITACIÓN
La agitación ya sea por aire o movimiento de la pieza reduce el tiempo de
limpieza.
TIEMPO
Se determina en función de todos los factores anteriormente mencionados.
ENJUAGUE
Es Importante realizar un buen enjuague para eliminar todo resto de película
alcalina o ácida que pueda quedar en la superficie. Un mal enjuague puede dar
lugar a una mala adherencia, o manchas en los depósitos posteriores.
11