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By KATHY HUNT
Jun 14, 2024
Para el consumidor promedio, el material que recubre una cuchara, un tornillo o la manilla de una puerta no hace mucha diferencia. Siempre que el elemento no se corroa ni se oxide, la mayoría de las personas no tiene en cuenta en absoluto cómo o por qué un producto metálico resiste el desgaste y preserva la suavidad de la superficie. Tampoco piensan en cuanto tiempo lleva el ser humano aplicando revestimientos a herramientas, utensilios, vehículos y otros artículos para protegerlos de la naturaleza y retardar su deterioro. Desde tiempos remotos, sustancias orgánicas como la cera de abeja, la arcilla, el alquitrán y la laca, se han empleado para sellar, impermeabilizar y proteger objetos.
Con el tiempo, los materiales usados para revestir han cambiado. En el siglo XXVIII, se introdujeron los recubrimientos metálicos después de que el químico y físico francés Jacques Malouin presentó su método para crear un recubrimiento protector de zinc para el hierro en 1742. Mediante la introducción de una pieza de hierro en un baño de zinc fundido, hizo que el hierro tuviera un recubrimiento resistente a la corrosión y le dio al mundo la galvanización por inmersión en caliente.
En 1805, los revestimientos dieron un paso más cuando se introdujo la galvanoplastia o electrodeposición. Aunque otros científicos trabajaron en este método, el químico italiano Luigi Brugnatelli suele ser quien recibe los créditos por haber hecho el primer intento exitoso de usar la corriente eléctrica y una solución metálica para recubrir otro metal. Con la galvanoplastia, se pueden usar diferentes elementos como el níquel, el cromo, el cobre, el oro o la plata, como recubrimientos.
Más de dos siglos después, la electrodeposición sigue evolucionando y refleja las innovaciones, así como el conocimiento agregado sobre los impactos ambientales y de salud de los materiales de recubrimiento. El Comité sobre recubrimientos metálicos e inorgánicos (B08) de ASTM International asiste en esta evolución. El comité establecido en 1941 se centra en recubrimientos creados a partir de procesos, tales como la galvanoplastia; el revestimiento autocatalítico o por reacción química; el recubrimiento por inmersión; los procesos de vacío, como la metalización al vacío, la pulverización y el recubrimiento iónico; conversiones químicas, como el cromado, el fosfatado y el óxido negro; la oxidación anódica, la inmersión en caliente, el recubrimiento térmico, como el rociado con llama, la deposición química en fase de vapor, el rociado con plasma y la detonación; y el recubrimiento con esmalte de porcelana y cermet fundidos a temperaturas superiores a 427 grados Celsius (800 grados Fahrenheit). Los productos de chapa, alambre y laminado de estaño no pertenecen al trabajo del comité.
En la actualidad, el subcomité sobre recubrimientos de ingeniería (B08.03) está elaborando una nueva especificación para los recubrimientos de zinc-níquel nanoestructurados electrodepositados (WK29468). El estándar propuesto aborda los requisitos de rendimiento para un recubrimiento de aleación de zinc nanoestructurado conformado por nanogránulos de zinc o nanocapas de aleación de zinc, que contienen, al menos, 95 % de zinc. Con esto, se estudian productos fabricados y sin fabricar, piezas forjadas de acero y piezas de hierro fundido, y se establecerá una base para la identificación de recubrimientos de aleaciones de zinc nanoestructurados para sustratos de acero.
“La propuesta para una especificación de estándar nueva fue producto de la superior resistencia a la corrosión lograda con los recubrimientos nanoestructurados en comparación con los revestimientos de zinc-níquel tradicionales especificados en B841 [especificación estándar para recubrimientos electrodepositados de depósitos de aleación de zinc y níquel, clase 2], ya sean recubrimientos de sacrificio o barrera”, explica Oscar Garcia, metalúrgico de Sigma Fasteners y miembro del B08. “Esta resistencia a la corrosión mejorada deriva de dos efectos que están interrelacionados: el desarrollo de una microestructura única y la aplicación de parámetros de electrodeposición modificados”.
Es esencial garantizar la resistencia a la corrosión. Si los elementos de fijación u otras piezas básicas metálicas se corroen, se pueden deformar, romper o fallar, lo que comprometería la integridad estructural de la pieza de la que forman parte. Como consecuencia, edificios, puentes, automóviles, aeronaves, tuberías, entre otros elementos, podrían colapsar.
“El zinc-níquel nanoestructurado tiene las ventajas de rendimiento de las capas a nanoescala del zinc y el níquel (más durabilidad y resistencia a la corrosión) que excede los beneficios del recubrimiento original de una capa de zinc y níquel”, explica el especialista en recubrimientos de la Fuerza Aérea de EE. UU. y experto en inspección y reacondicionamiento, y miembro del comité B08, Nathan Hughes. “Para entornos extremadamente corrosivos, tales como las plataformas marítimas de gas y petróleo, los portaaviones u otras estructuras relacionadas con operaciones navales, aeroespaciales o marinas y exposición al agua salada, el zinc-níquel nanoestructurado ofrece la mejor protección contra la corrosión”.
El estándar se aplicará no solo en ámbitos marinos, sino en entornos industriales y de mucha humedad. Los componentes aeroespaciales y para automóviles, tales como elementos de fijación, soportes, carcasas y demás aplicaciones de uso industrial, se beneficiarán con esto.
Los estándares relativos a la galvanoplastia permitirán que los edificios duren más y sean más resilientes.
Herman Amaya es director metalúrgico de Modumetal LLC y trabajó en Schlumberger durante 15 años como ingeniero principal y gerente de corrosión metalúrgica. Según sus palabras, en el estándar propuesto, el zinc-níquel nanoestructurado que tiene los mismos rangos de composición que la composición clase 2 especificada en B841 “…demuestra una resistencia a la corrosión, al menos, un orden de magnitud superior que la composición equivalente procesada según el estándar B841”. Añade que esta resistencia a la corrosión mejorada tiene la validación de muchas pruebas de campo llevadas a cabo en un período de más de cinco años. También se cuantifica mediante la prueba de Niebla salina B117 con un tiempo hasta que la corrosión “roja” supere 7000 horas para recubrimientos que van de 8 a 12 micrones (μm), si se emplea el criterio de registrar la primera incidencia de corrosión “roja”. Este proceso supone colocar piezas de prueba en una cámara que rocía periódicamente una solución salina y, luego, estudiar las piezas en busca de signos de óxido o corrosión.
Amaya, quien es miembro activo del comité B08 desde hace ocho años, explica que la diferencia entre el proceso del estándar propuesto y el incluido en el B841 es la modulación del proceso de electrodeposición en un componente de alta corriente, seguido por un período definido por un nivel de componente de baja corriente. “Este tipo de proceso se conoce como electrodeposición nanolaminar, por pulsos y por pulsos inversos, y da como resultado una microestructura de nanogránulos generalmente de menos de 25 µm dispuestos en un patrón de deposición laminar o en capas”, expresa. “La combinación de estos dos factores mejora las propiedades electroquímicas del zinc-níquel y, al hacerlo, aumenta la resistencia general a la corrosión”.
Amaya observa que, si bien este proceso ha estado en desarrollo durante los últimos 20 años aproximadamente, recién en los últimos cinco años, ha pasado de los laboratorios de desarrollo al ámbito comercial con la inauguración de una planta de producción exclusiva en Houston. Las pruebas de campo en instalaciones marítimas han llevado a la incorporación de los recubrimientos de zinc-níquel nanoestructurados en las especificaciones de varias compañías de petóleo y gas. Esto llevó a recomendar que el proceso se reflejara en un estándar de ASTM independiente.
Además de su trabajo sobre la especificación de recubrimiento nanoestructurado metálico de zinc, el Comité de recubrimientos metálicos e inorgánicos está revisando varios estándares existentes, incluida la especificación estándar para recubrimientos técnicos de cromo electrodepositados sobre sustratos ferrosos (B650). La especificación abarca los requisitos para recubrimiento de cromo electrodepositado, que suelen denominarse de cromado duro o funcional, aplicado a sustratos de aleaciones ferrosas de aplicaciones técnicas. Se usan para aumentar la resistencia al desgaste, a la abrasión, a la corrosión por frotamiento y a la corrosión; también para reducir el desgaste por roce continuo y la fricción estática o cinética; y para reconstruir piezas desgastadas o de dimensiones inferiores. Con este estándar no se busca abordar las inquietudes de seguridad asociadas con su uso. El usuario debe establecer medidas adecuadas de seguridad, salud y medioambientales, y determinar la aplicabilidad de las limitaciones reglamentarias antes de su uso.
“Muchas de las especificaciones existen desde la década de 1950 y muchas se están actualizando para evidenciar las tendencias en los recubrimientos de tener opciones respetuosas con el medioambiente que no sacrifiquen el rendimiento”, explica Hughes. Agrega que los revestimientos cromados en acero se siguen usando en todo el sector aeroespacial. “Si tenemos esto en cuenta, cuando trata de encontrar una alternativa de recubrimiento sin cromo para B650, como carburo de tungsteno con cobalto aplicado por rociado o un revestimiento galvanizado diferente, cualquier cosa que elija que sea ecológica también debe ser tan buena como la comparación de referencia”, amplía Hughes.
Asimismo, están en revisión dos estándares que reducen al mínimo el riesgo de fragilidad por hidrógeno. Son la especificación estándar para los pretratamientos de hierro o acero con el fin de reducir el riesgo de fragilidad por hidrógeno (D849) y la guía estándar para los tratamientos posteriores al recubrimiento de acero que tiene como objeto disminuir el riesgo de fragilidad por hidrógeno (D850). La fragilidad por hidrógeno hace referencia al daño producido en un metal cuando el hidrógeno lo penetra y causa la pérdida de flexibilidad y resistencia a la tracción.
La especificación del pretratamiento abarca los procedimientos hechos antes de la galvanoplastia, el proceso autocatalítico, el esmaltado cerámico y otras operaciones de recubrimiento químico. La guía sobre el postratamiento trata los procedimientos de tratamiento térmico que se hacen después de la galvanización, pero antes de un recubrimiento de conversión secundaria. Ambos se centran en sustratos que tienen un alto nivel de dureza e incluyen piezas de fijación de alta resistencia que se utilizan en las industrias automotriz, del gas y del petróleo.
En septiembre de 2015, Naciones Unidas llegó a un acuerdo sobre la Agenda 2030 para el Desarrollo Sostenible, un plan de acción que presenta 17 objetivos de desarrollo sostenible (ODS) que deben cumplirse para el año 2030. De los 17 objetivos, la nueva especificación sobre recubrimientos de zinc-níquel electrodepositados nanostructurados cumple dos: el Objetivo 3, que se enfoca en la buena salud y bienestar; y el Objetivo 12, que aborda el consumo y la producción responsables.
El cromo hexavalente, o cromo 6, es una forma tóxica de cromo extensamente utilizada en la electrodeposición. Cuando el cromo hexavalente se libera al aire, afecta el hígado, los riñones, el sistema respiratorio, la piel y los ojos. Se ha observado que, al ingerirlo a través del agua potable, ha causado tumores en ratas y ratones. La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) considera que todos los compuestos de cromo hexavalente son cancerígenos y, por ende, señala que, cuanta más exposición tengan los trabajadores a estos elementos, el riesgo de cáncer respiratorio, específicamente de pulmón y de senos paranasales y de la cavidad nasal, aumenta.
En la nueva especificación para recubrimientos de zinc-níquel electrodepositados nanoestructurados, se menciona el uso de pasivado de cromo trivalente en lugar de cromo hexavalente. La Agencia de Protección Ambiental (EPA) establece que existe poca evidencia de que el cromo trivalente represente algún riesgo tóxico o sea cancerígeno para los humanos. Con el empleo de cromo trivalente, el estándar WK29468 pretende mitigar los riesgos para la salud provocados por el cromo hexavalente y se alinea con el Objetivo de Desarrollo Sostenible 3, cuyo intento es garantizar una vida saludable y promover el bienestar de todas las personas a cualquier edad.
El estándar propuesto también impulsa el reemplazo de la galvanoplastia con cadmio. El cadmio genera vapores tóxicos durante el proceso de recubrimiento electrolítico.
Los Centros para el Control de Enfermedades (CDC) indican que respirar niveles elevados de cadmio puede producir daño pulmonar y la muerte; por otra parte, la ingesta de niveles más bajos a través del aire, el agua y los alimentos, puede provocar enfermedades renales, fragilidad ósea y cáncer. En el mundo, a muchas personas les preocupan los efectos del cadmio en la salud, por lo que algunas partes interesadas han pedido una reducción en la cantidad de recubrimientos con cadmio.
La composición y los niveles de rendimiento del zinc-níquel nanoestructurado indican que el recubrimiento podría ser una alternativa viable al revestimiento con cadmio. Según Garcia, como consecuencia de los avances tecnológicos, se puede lograr un recubrimiento de zinc-níquel nanoestructurado que, incluso, supere a los recubrimientos con cadmio en cuanto a la resistencia a la corrosión y que funcione a temperaturas más altas. Al ofrecer zinc-níquel nanoestructurado como reemplazo de los recubrimientos con cadmio, el estándar propuesto WK29468 cumple con el ODS 12 sobre consumo y producción responsables.
“La necesidad de reemplazar estos métodos de recubrimiento se debe a varias consideraciones, como la salud humana, la protección del medioambiente, el cumplimiento reglamentario, la sostenibilidad y el cumplimiento de las expectativas de los consumidores”, explica Garcia. “Esta acción destaca el compromiso de la industria de adoptar alternativas, cumplir con los estándares de rendimiento y reducir al mínimo los impactos negativos sobre la salud y el medioambiente. Finalmente, la adopción del estándar WK29468 significa un paso consciente hacia la sostenibilidad y las prácticas responsables dentro del sector de los recubrimientos”.
Para obtener información adicional o para sumarse al Comité sobre recubrimientos metálicos e inorgánicos (B08), póngase en contacto con la gerenta de personal Jennifer Tursi. ■
Kathy Hunt es periodista y está radicada en la costa este de Estados Unidos.
May / June 2024