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¿Qué es el acabado de superficies?
El acabado superficial es una serie de procesos industriales cuyo principal objetivo es alterar la superficie de una determinada pieza de trabajo para obtener propiedades específicas. Esto se puede realizar químicamente, mecánicamente o incluso electrónicamente con el objetivo de eliminar, alterar, agregar o remodelar el material que se está tratando.
Industrias que utilizan técnicas de acabado de superficies
Las técnicas de acabado de superficies son utilizadas por la mayoría de las industrias que fabrican piezas industriales (por ejemplo, metales, obleas, herramientas y más). El uso de procesos de acabado de superficies ha ido en aumento a nivel mundial y se espera que siga creciendo. Un artículo publicado por Investigación de Grand View (2019) predijo que se espera que el tamaño del mercado de productos químicos para el acabado de metales crezca a $ 13.52 mil millones de dólares para 2025.
La mayoría de la gente piensa en pulir y lijar cuando se habla de acabado de superficies, pero es mucho más que eso. Varias industrias utilizan diferentes procesos para tratar superficies con el objetivo principal de obtener la máxima calidad del producto. Según Grand View Research, las tres principales industrias con la mayor cuota de mercado de productos químicos para superficies metálicas son automotriz y aeroespacial, semiconductores, y el industria metalúrgica (por ejemplo, maquinaria industrial, construcción).
Figura 1 (reutilizado de Pronóstico global del mercado de productos químicos para el acabado de metales hasta 2021) muestra que el acabado superficial se utiliza principalmente en la industria automotriz. Aquí, la galvanoplastia y la galvanoplastia sin electricidad son los principales procesos utilizados para proteger contra la corrosión. El proceso de galvanoplastia consiste en usar electricidad para recubrir un material (p. ej., cobre) con una capa delgada de otro material (p. ej., níquel). El enchapado sin electricidad se logra con procesos químicos que reducen los cationes metálicos en un baño y los depositan como una capa uniforme, incluso en superficies no conductoras.
La siguiente es la industria de semiconductores, que incluye el proceso de fabricación y limpieza superficial de piezas eléctricas y electrónicas, así como obleas de silicio. Esta industria implica procesos de revestimiento (p. ej., revestimiento no electrolítico) así como baños de limpieza química. Aquí se utilizan baños de limpieza química para eliminar cualquier contaminante de las superficies de las obleas.
Finalmente viene la industria metalúrgica, responsable de crear la infraestructura de la que depende nuestro mundo moderno. Aquí, el proceso de galvanización se utiliza para hacer que el metal sea resistente a la corrosión y al calor. La galvanización es una medida anticorrosiva que se toma con el hierro y el acero (así como con otros metales) mediante la aplicación de una capa protectora de zinc que no permite que se produzca la oxidación. El zinc también actúa como un ánodo de sacrificio que aún protege el metal subyacente en caso de que se raye la superficie galvanizada. Los baños de decapado son otro proceso común de acabado de superficies para esta industria. Estos baños ácidos se utilizan para eliminar la capa de óxido que se formó en la superficie durante el tren de laminación en caliente. Si el acero base se decapa en exceso, puede ocasionar picaduras en la superficie del metal, lo que genera un recubrimiento áspero y ampollado indeseable en los pasos posteriores de galvanizado y también consume en exceso el ácido decapante (p. ej., HCl).
Mucho más que revestimientos decorativos
¿Importan las apariencias? Cuando se habla de productos, absolutamente! Una de las razones por las que se tratan las superficies de los productos es para que tengan una apariencia más agradable para los consumidores, pero también por razones más técnicas que van más allá de la apariencia. Dado que los procesos de acabado de superficies se utilizan en una amplia gama de industrias, tienen diferentes propósitos según los usos de los productos finales.
En la industria de los semiconductores, cualquier defecto en los componentes (p. ej., obleas de silicio, microelectrónica, placas de circuito impreso, etc.) puede afectar el rendimiento del producto final. Por lo tanto, mantener las concentraciones adecuadas de todos los componentes en el baño de limpieza química asegura un proceso de grabado repetible, lo que para este propósito significa la eliminación de defectos superficiales.
Otro ejemplo son los baños de fosfatación, que se utilizan para mejorar la resistencia a la corrosión de las piezas del producto utilizadas en la industria automotriz y aeroespacial. Este proceso se realiza antes de cualquier pintura para proteger la estructura de la carrocería de factores ambientales. Los baños de fosfatado también deben mantenerse constantes para garantizar el correcto (e idéntico) espesor de la capa protectora en cada uno de los productos sometidos a este proceso.
Consulte nuestro seminario web gratuito sobre cómo La tecnología analítica de procesos (PAT) aporta mediciones analíticas directamente al proceso para la toma de decisiones en tiempo real, lo que garantiza un alto nivel de control para los baños de recubrimiento y acabado y elimina riesgos innecesarios para el personal de la planta. Conozca los estudios de casos del mundo real y las aplicaciones probadas en el campo que demuestran las ventajas de la química de baño optimizada y PAT en la industria del tratamiento de superficies.
Desafíos en los procesos de acabado de superficies: mantenimiento diario del baño
Como cualquier proceso, el acabado de superficies tiene desafíos diarios que se pueden mejorar. La mejora solo puede provenir de conocer la composición del baño y cómo afecta al producto final. Por lo general, el control de la concentración de los baños químicos se realiza mediante muestreo manual y titulación en un laboratorio en el sitio (en algunos casos, por un laboratorio contratado fuera del sitio). Si bien este método funciona, puede conducir a largos tiempos de espera desde el momento en que se toma la muestra hasta el resultado final, por lo que el los resultados ya no son representativos de las condiciones actuales del proceso. Debido a este retraso, la reposición del baño puede verse afectada por una dosificación excesiva o insuficiente de los componentes, lo que conduce a una composición del baño subóptima y a una calidad del producto resultante (Figura 2).
El análisis manual del baño y la dosificación de productos químicos basados en datos antiguos influye directamente en los resultados de la empresa, ya que el fabricante pierde dinero ya sea por el uso excesivo de productos químicos para baños o por la producción de productos deficientes. Cuanto mayor sea el volumen del baño de recubrimiento, mayor será el costo de los productos químicos utilizados. Los baños de acabado de superficies pueden ser tan grandes como 3500 L (1000 galones) o más. Por lo tanto, es extremadamente importante optimizar la dosificación de productos químicos para reducir los costos y desperdicios innecesarios y, al mismo tiempo, brindar la máxima calidad.
Si los baños son sobredosis, se utilizan más productos químicos de los necesarios, lo que aumenta los costes operativos generales. Sin embargo, si los baños son infradosificado Según los datos antiguos, los productos finales pueden ser defectuosos, lo que también aumenta los costos operativos.
Además, los procesos de acabado de superficies involucran muchas sustancias peligrosas. Cuando se lleva a cabo cualquier evaluación de riesgos, el primer recurso es el uso de equipo de protección personal (EPP) y, idealmente, cualquier riesgo potencial de exposición debe eliminarse de cualquier proceso.
El análisis automatizado de los componentes del baño con un analizador de proceso en línea o en línea elimina por completo el riesgo de exposición del personal de la planta a los peligros asociados con los productos químicos utilizados, además de encargarse del preacondicionamiento y muestreo de la muestra. Con un control de lazo cerrado, se obtienen mediciones rápidas que conducen a resultados rápidos y tiempos de respuesta para ajustes de proceso optimizados.
La solución: operar de manera más segura y eficiente con el análisis de procesos automatizado
El análisis de procesos por titulación manual generalmente toma varios pasos: recolección de muestras, preacondicionamiento de muestras, manipulaciones volumétricas, cálculo, registro y verificación de resultados y, finalmente, envío de retroalimentación al proceso. Todos estos pueden ser totalmente eliminado mediante el uso de análisis en línea y en línea.
Los beneficios de esto son muy claros. Al limitar los pasos de manipulación manual, se elimina cualquier riesgo de exposición a productos químicos peligrosos. El error de muestreo, los errores volumétricos y la ambigüedad del punto final de un analista a otro ya no son un problema. Además, el muestreo puede llevarse a cabo de forma cronometrada y puede programarse para que se produzca con mayor frecuencia que con los métodos manuales, lo que proporciona un control del proceso mucho mayor.
El analizador se puede utilizar para controlar completamente un proceso con retroalimentación directa de los resultados para la dosificación correcta de productos químicos en los baños de envejecimiento. Los datos se registran y calculan automáticamente. Los gráficos y las señales en pantalla pueden advertir sobre las condiciones de proceso desviadas junto con las salidas de alarma para notificar a los operadores sobre los problemas del baño. La interfaz de usuario está programada mediante una operación simple e intuitiva y puede ser realizada incluso por personas que no sean químicos.
Beneficios del análisis en línea y en línea en los procesos de acabado de superficies:
- Disminuya el trabajo manual: ahorre tiempo y dinero
- Entorno de trabajo más seguro: evite el contacto con productos químicos peligrosos
- Tiempo de respuesta más rápido para procesar cambios: mejor calidad del producto
- Consumo de productos químicos optimizado: menos residuos, costes reducidos
Metrohm Process Analytics tiene más de 45 años de experiencia en análisis y optimización de procesos. Los siguientes ejemplos muestran nuestra experiencia en la configuración de analizadores de procesos en línea y en línea para diferentes procesos de acabado de superficies.
Conoce las diferencias entre en línea, en línea, en línea, y desconectado medidas en nuestro entrada de blog anterior.
Supervisión automatizada de baños de limpieza y grabado
Las superficies metálicas pueden tener rayones, impurezas y otras imperfecciones que pueden interferir con otros procesos de fabricación (p. ej., enchapado o pintura). Por lo tanto, baños de limpieza y grabado son un paso clave para obtener superficies limpias, pulidas y sin daños.
Tradicionalmente, estos productos químicos para baños se miden fuera de línea en el laboratorio después de tomar una muestra del proceso. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, los métodos manuales de laboratorio dan como resultado tiempos de respuesta prolongados en caso de cambios en el proceso (por ejemplo, mezcla de reacción, niveles de humedad, etc.), y la preparación de la muestra también puede introducir errores, alterando la precisión del análisis. Además, puede ser bastante engorroso ya que se deben implementar diferentes procedimientos operativos para analizar múltiples parámetros, incluidos la alcalinidad, el hidróxido de amonio, el peróxido de hidrógeno y más.
Otro ejemplo de baños de limpieza son baños de ácido mixto, generalmente compuesto por ácido sulfúrico, ácido fluorhídrico y ácido nítrico. La titulación solo proporciona la índice de acidez de la muestra analizada; por lo tanto, no es posible saber qué cantidad de un ácido específico está presente en los baños. Sin embargo, la espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) es la técnica analítica perfecta para monitorear cada ácido individualmente.
Los analizadores de procesos NIRS sin reactivos permiten la comparación de datos espectrales en tiempo real del proceso con un método primario (por ejemplo, titulación) para crear un modelo simple pero indispensable para la optimización del proceso. NIRS es económico y rápido, lo que permite análisis cualitativos y cuantitativos que no son invasivos ni destructivos. La integración de técnicas espectroscópicas en línea permite a los operadores obtener más control sobre el proceso de producción y aumentar la seguridad general.
Además de los analizadores de procesos NIRS, Metrohm Process Analytics puede diseñar y personalizar celdas de flujo continuo (Figura 5). Estos se sujetan a la tubería ya presente en el sitio para una fácil instalación sin necesidad de modificar la configuración existente.
Descargue nuestra Nota de aplicación de proceso gratuita a continuación para obtener más información.
Supervisión automatizada de baños de fosfatación
El proceso de fosfatado produce un revestimiento superficial duro, eléctricamente no conductor, que se adhiere firmemente al metal subyacente. Esta capa protege contra la corrosión y mejora la adherencia de pinturas y acabados orgánicos para su posterior aplicación.
La fosfatización consta de dos partes: una reacción de grabado con ácido fosfórico que aumenta la rugosidad de la superficie, y una segunda reacción en la superficie entre los fosfatos alcalinos y los iones metálicos generados previamente. Este recubrimiento es bastante delgado y solo ofrece una protección básica contra la corrosión. La adición de cationes metálicos (como zinc, manganeso y calcio) al baño de fosfatación da como resultado la formación de fosfatos de zinc muy resistentes con un espesor de recubrimiento entre 7–15 veces más grueso, perfectamente adecuado para uso en exteriores.
En los baños de limpieza, desengrase y aclarado, así como en el propio baño de fosfatado (Figura 6), los diversos parámetros que intervienen en el proceso deben mantenerse estables. La conductividad, el valor de pH, la alcalinidad libre y la alcalinidad total se encuentran entre los principales parámetros que se deben determinar en los baños de desengrase y enjuague. Los ácidos libres y totales, el acelerador, el zinc y el fluoruro se controlan en baños de fosfatación. los Analizador de procesos 2060 de Metrohm Process Analytics (Figura 7) monitorea, registra y documenta todos estos parámetros críticos al mismo tiempo. La combinación de diferentes métodos analíticos dentro de un sistema, así como el manejo intuitivo a través de la interfaz de usuario bien organizada, aseguran monitoreo fácil y confiable de todo el proceso.
Consulte nuestra Nota de aplicación de proceso relacionada gratuita para obtener más información.
Análisis en línea del contenido de iones de níquel e hipofosfito en baños de niquelado sin corriente
Resumen
Los analizadores de procesos en línea y en línea de Metrohm Process Analytics son la solución ideal para automatizar el análisis de los procesos de acabado de superficies debido a los beneficios integrales que brindan:
- No se necesita muestreo manual, por lo tanto, menos exposición del personal a productos químicos peligrosos
- Extendido baño de vida ajustando las ventanas del proceso (se requieren menos productos químicos)
- Minimice el riesgo de tiempo de inactividad con datos más rápidos y precisos
- Cumplimiento más fácil con los requisitos del producto final mediante la automatización de procesos
Tus conocimientos para llevar
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