Resumo
O processo de galvanolpastia é um processo eletroquímico que envolve a deposição de níquel sobre um substrato. Esse processo é regido por leis naturais que determinam a quantidade de níquel depositado, a espessura da camada e sua distribuição. A eficiência da niquelação pode ser influenciada por fatores como a polarização do cátodo e a deposição de íons de hidrogênio, que podem reduzir o rendimento do níquel. A espessura do revestimento é estimada com base na corrente, no tempo e na densidade do níquel. A distribuição da corrente e da camada não é uniforme devido à geometria do sistema e à resistência elétrica do banho, resultando em diferentes espessuras em diferentes áreas do cátodo.
O que você vai aprender sobre o processo de Galvanoplastia
1.3 Distribuição da Camada e Corrente
1.1 O Processo
Niquelação consiste no depósito de películas de níquel sobre um substrato. O processo converte o minério de níquel do anodo em íons de níquel que penetram o banho de galvanoplastia. Os íons descarregam no catodo (o objeto a ser revestido) e produzem uma camada de níquel metálico na superfície. A deposição de íons de níquel não é a única reação possível, pois, de fato, uma pequena porcentagem da corrente é dissipada pela deposição de íons de hidrogênio. Isto reduz o rendimento do depósito de níquel em aproximadamente 3 a 7 por cento que potencialmente poderia ser 100 por cento se toda corrente fosse direcionada para depositar os átomos de níquel. O hidrogênio depositado forma bolhas de gás de hidrogênio na superfície do catodo. Se a concentração de íons de hidrogênio estiver muito alta no banho (a medida de pH está baixo demais) o grau de evolução do hidrogênio aumenta e o depósito do níquel diminui.
Em condições normais o rendimento da dissolução do níquel no anodo é 100 por cento, e íons de hidroxila não são depositados. No entanto, caso a medição de pH for alta, é possível que ocorra o depósito de íons de hidroxila em vez da dissolução de níquel e, assim, será produzido oxigênio. O anodo de níquel torna-se passivo e a dissolução é interrompida, e, portanto, o banho eletrolítico está com quantidade baixa de íons de níquel. Certas formas de anodos de níquel, que contêm uma quantidade baixa de ferro ou com os quais é possível obter uma corrente baixa
1.2 Estimando a Espessura do Revestimento de Níquel
A quantidade de níquel que pode ser depositada a qualquer momento determinado é regida pelas leis da natureza. A quantidade é determinada pelo produto da corrente (ampère) e o tempo (horas). Nas condições ideais o fluxo de 1 ampère por 1 hora deposita 1,095 gramas de níquel a 100 por cento de rendimento do cátodo.
Utilizando o peso do depósito é possível estimar a medida média da camada quando é conhecido o tamanho da área a ser revestida. Por exemplo, se 1,095 gramas de níquel são depositados num decímetro quadrado de área, a espessura do depósito será 12,29 micrômetros. (A espessura média é igual ao peso do níquel dividido pelo produto da área e a densidade do níquel. É fundamental usar unidades constantes. A densidade do níquel é de 8,907 g/cm³).
Como uma porcentagem pequena da corrente é dissipada pelo cátodo que descarrega íons de hidrogênio, o rendimento da deposição de níquel é menor do que 100%. É necessário levar isso em consideração ao estimar o peso e a espessura do depósito de níquel em condições reais de galvanoplastia. O gráfico 1 apresenta os resultados referentes à deposição de níquel com 95,5 por cento de rendimento do cátodo, no qual é discriminado a espessura do revestimento, o peso por unidade de área, a densidade da corrente e a duração do processo de niquelação.
O Gráfico 2 apresenta os fatores mais utilizados para calcular dados referentes ao processo de niquelação.
1.3 Distribuição da Corrente e da Espessura
A relação entre a distribuição da corrente e da espessura é outro fator básico fundamental. É desejável aplicaruma camada de níquel uniforme em todas as superfícies importantes para que possa estimar a vida do produto e satisfazer as especificações niquelação, que exigem espessura da camada mínima em certas áreas da superfície.
Em um banho ideal, o níquel do anodo se transfere para o cátodo de tal maneira que todas as partes do cátodo receberão uma camada idêntica, ou seja, uniforme. Porém, isso raramente acontece.
Todo banho contém resistência elétrica e quase todas as peças a serem revestidas têm partes e/ou pontos que ficam mais perto do anodo do que as distantes. O fluxo da corrente do anodo para a ponta é maior do que o fluxo nas partes distantes. Ou seja, a densidade da corrente em ampères por decímetro quadrado é maior nas pontas porque a distância anodo-cátodo é menor e, portanto, apresenta menor resistência do que nas partes distantes. A divisão da corrente do banho desta forma é denominada ‘distribuição da corrente’ (Gráfico 1). Fatalmente isso significa que a camada nas áreas distantes é menor do que nas pontas.
1.4 A Penetração
A relação entre distribuição da corrente e a espessura da camada é mais complexa do que o exposto na parte anterior.
Embora a geometria (forma, posicionamento do anodo e cátodo) seja importante, a distribuição da corrente está sob a influência das características eletroquímicas do banho de galvanoplastia. A relação complexa entre distribuição do metal e as variáveis, condutividade da solução, polarização do cátodo, rendimento do cátodo e sua geometria é denominada penetração.
A polarização do cátodo é o nome geral dado aos fatores que aumentam a dificuldade de conversão dos íons de níquel para níquel metálico no cátodo. Uma vez que a polarização aumenta, a voltagem do tanque está é uma medida da resistência à eletrodeposição. Maior a densidade da corrente, maior será a resistência à deposição criada pela polarização do cátodo. Isso ajuda a atingir um revestimento uniforme, pois significa que há um sistema que reduz as densidades altas de correntes nas superfícies salientes de uma peça, que aumenta a corrente em áreas recessos. Outro fator que favorece a deposição uniforme de alguns metais é o rendimento de deposição em densidades altas de corrente ser maior do que em densidades menores de corrente, mas isso não se aplica à galvanoplastia.
A penetração é a medida do grau à qual o banho produz depósitos que são mais uniformes do que a deposição observada naquelas sem presença de efeitos de polarização e rendimento da deposição. Na tabela 3 comparamos a penetração de várias soluções de banhos; 100 por cento representa revestimento uniforme na superfície do cátodo e -100 por cento é o oposto extremo em que as superfícies salientes são revestidas com uma grossa camada de níquel enquanto as superfícies menos salientes apresentam camadas finas de revestimento. A penetração do banho típico de níquel é diretamente
Relativa à densidade da corrente média utilizada (Gráfico 2).
A penetração de um banho pode ser determinada (Gráfico 3) usando um catodo (B) inclinado para o anodo (A).
A distribuição de corrente básica – a distribuição da corrente no cátodo sem polarização sequer – pode ser medida de várias maneiras. Como as áreas de densidade de correntes mais altas no cátodo são aquelas que se localizam mais perto do anodo, é possível selecionar pontos em que os valores da densidade da corrente básica local são quocientes de 5:1, 12:1 e 25:1, conforme ilustrado. Já que estes quocientes são determinados pela geometria da célula e, portanto, constantes, a medida que a penetração de um banho pode ser feita por meio da determinação dos quocientes da espessura do depósito para cada um dos três quocientes da corrente de densidade elementar e representar os resultados como porcentagem da penetração de cada um dos quocientes de densidade da corrente (Tabela 3), utilizando a fórmula de Field:
100(P−M)
__________________
(P+M-2)
M = quociente da espessura do depósito
P = quociente da corrente elementar
A tabela comparativa de penetrações de vários banhos diferentes de galvanoplastia demonstra que o melhor banho é o de alta concentração de sulfato (Tabela 4). A Tabela 5 mostra que o Poder de Penetração desse banho diminui conforme aumenta a densidade da corrente.
Estudos da penetração dos banhos de níquel têm demonstrado que para aumentar a penetração é necessário diminuir a densidade e aumentar a condutividade, o pH e a temperatura.
Assim, a penetração depende da composição do banho e dos fatores operacionais que podem ser manipulados até certo ponto para melhorar a distribuição do metal sobre as partes que estão sendo revestidas. A distribuição do metal é melhorada, frequentemente, pelo uso adequado da chapa seletiva durante o processo de eletrolise (Parte 5).
Como a espessura do revestimento em qualquer dado ponto da peça depende da distribuição da corrente que está sobre a influência da penetração do banho sendo utilizada, é necessário medir a espessura do revestimento nas partes e ajustar a chapa seletiva e/ou fatores variáveis antes que a espessura possa ser controlada dentro de uma faixa específica.
Conclusão
O processo de galvanoplastia com niquelação é complexo e depende de uma série de variáveis que devem ser cuidadosamente controladas para alcançar um revestimento uniforme e eficiente. A polarização do cátodo e a resistência do banho são fatores críticos que influenciam a distribuição da corrente e, consequentemente, a espessura do revestimento. Estudos sobre a penetração do banho de níquel mostram que ajustes na densidade da corrente, na condutividade, no pH e na temperatura podem melhorar a uniformidade da deposição. A compreensão e o controle dessas variáveis são essenciais para otimizar o processo de niquelação e garantir a qualidade do revestimento final.
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