La guía de la oxidación electrolítica por plasma (PEO)

La historia de la metalurgia ha sido una búsqueda del aleación perfecta. Las personas siempre han buscado el metal más barato, más ligero y a la vez más resistente.

Pues bien, algo así no existe. Los metales baratos y ligeros no son resistentes. Los metales resistentes y ligeros no son baratos. Ya se hace una idea.

El proceso de anodizado supuso un paso adelante. Transforma los metales ligeros y los hace resistentes a la corrosión, es decir, más fuertes. Sin embargo, también tiene que lidiar con emisiones tóxicas y con la corta vida útil de sus componentes.

A finales del siglo XX, los ingenieros descubrieron el recubrimiento de oxidación electrolítica por plasma. Todavía hay margen de ajuste, por supuesto. No obstante, los científicos esperan que este procedimiento cambie la forma en que la humanidad trata los metales.

¿Qué es la oxidación electrolítica por plasma (PEO)?

La oxidación electrolítica por plasma (PEO) es un método para crear capas de óxido-cerámica sobre metales. También se denomina oxidación por microarco (MAO) y oxidación electrolítica por plasma (EPO).

Este proceso imita el anodizado. Asimismo, consiste en sumergir la pieza metálica en una solución electrolítica. La principal diferencia es que la PEO utiliza potenciales más altos y, a su vez, genera un campo eléctrico mayor.

Como resultado, se producen descargas y chispas dentro de la solución, que alteran la estructura de la pieza recubierta. La capa exterior del metal se convierte químicamente en su óxido, que crece hacia dentro y hacia fuera desde la superficie.

Las funciones de la oxidación electrolítica por plasma

Los recubrimientos que proporciona el proceso de oxidación electrolítica por plasma confieren varias características a los metales.

Para empezar, los hace más resistentes al desgaste, al calor y a la corrosión. Eso significa que los metales más débiles (y más baratos) se vuelven más fuertes.

Las capas de óxido-cerámica de la PEO también aportan estabilidad química. Los metales tratados no reaccionarán con el entorno. Así, conservarán sus propiedades útiles durante más tiempo en circunstancias normales.

Por último, pero no menos importante, estos metales mejoran sus capacidades de aislamiento eléctrico. De ese modo, pueden servir para usos nuevos y de gran desgaste.

• Más resistente al desgaste
• Más resistente a la corrosión
• Más resistente al calor
• Químicamente estable
• Eléctricamente aislado

Historia de su desarrollo

Como se ha mencionado, el antecesor de la oxidación electrolítica por plasma es el anodizado. Ese tipo de pasivación electrolítica se utilizó por primera vez a escala industrial en la década de 1920. Tuvo una aplicación importante en la arquitectura.

Sin embargo, en la década de 1960 el anodizado fue sustituido en gran medida por el recubrimiento en polvo. Este proceso era más rápido, menos contaminante y las capas de protección que ofrecía eran más gruesas.

Lo que hizo que las mentes científicas volvieran a la oxidación en baño fue la carrera espacial. A principios de la década de 1970, los ingenieros soviéticos descubrieron la PEO y empezaron a experimentar con ella. Una década y media después, había piezas recubiertas con PEO en la estación espacial Mir.

Aun así, el proceso siguió siendo en gran medida impredecible. Incluso al comenzar el nuevo siglo, la realidad no parecía ajustarse a las predicciones hechas en los laboratorios. La brecha entre los resultados teóricos y experimentales era demasiado amplia para declarar la victoria.

Últimamente, sin embargo, algunas empresas como Keronite e IBC lo han logrado. Afirman haber perfeccionado este procedimiento impredecible y costoso. Ahora, dicen, es algo viable a escala industrial.

Las ventajas del recubrimiento de oxidación electrolítica por plasma

El proceso de oxidación electrolítica por plasma presenta numerosas ventajas frente al anodizado.

El recubrimiento cerámico que proporciona alcanza el punto de cristalización, lo que se traduce en un producto final más resistente.

El pretratamiento del material también es mucho más sencillo. A diferencia de lo que ocurre en el anodizado, la mayoría de los componentes solo necesitarán un desengrase menor para estar listos para la PEO.

En este proceso, los electrolitos utilizados pueden impregnar algunas de sus propiedades a la cerámica. Eso significa que pueden modificarse según el uso que vaya a darse a la pieza resultante.

Además, es un proceso respetuoso con el medio ambiente. Todo el procedimiento es limpio, libre de metales pesados.

En resumen, la PEO es mejor que el anodizado porque:

• Da como resultado un producto más resistente, gracias a la cristalización
• Su pretratamiento es mucho más sencillo
• La cerámica incorpora propiedades de los electrolitos
• Es un proceso limpio

Las desventajas del recubrimiento por oxidación electrolítica por plasma

Como ocurre con cualquier método nuevo, los recubrimientos por oxidación por microarco aún pueden mejorar.

Por ejemplo, en comparación con procesos tradicionales como el anodizado, sigue siendo caro. Considerando todo, el coste de recubrir 1 m² de metal es de 2 a 5 $.

El procedimiento también requiere una temperatura y una presión muy elevadas. Esto, a su vez, afecta a la cantidad de energía necesaria para operar el equipo. Además, reduce la vida útil de los electrolitos.

En conjunto, es posible que el PEO aún no esté listo para aplicaciones industriales generalizadas. Estas son las razones:

El procedimiento también requiere una temperatura y una presión muy elevadas. Esto, a su vez, afecta a la cantidad de energía necesaria para operar el equipo. Además, reduce la vida útil de los electrolitos.

En conjunto, es posible que el PEO aún no esté listo para aplicaciones industriales generalizadas. Estas son las razones:

• Requiere temperatura y presión elevadas
• Consume una gran cantidad de energía
• Exige la sustitución continua de los electrolitos
• Es demasiado caro

¿Qué metales pueden oxidarse por microarco?

La oxidación por microarco actúa específicamente sobre los metales válvula, así como sobre la mayoría de sus aleaciones. ¿Qué son los metales válvula? Son un grupo que incluye el aluminio, el magnesio, el titanio, el circonio, el tántalo, el niobio, el hafnio y el cobalto.

Su principal característica es que generan de forma natural una capa de óxido pasivante. Lo que hace el PEO es convertir ese óxido en formas cristalinas, mucho más duras.

En la práctica, el proceso se utiliza para aleaciones de aluminio, magnesio y titanio. Los demás metales mencionados son mucho más caros.

En resumen, estos metales pueden oxidarse por microarco:

• Aluminio
• Magnesio
• Titanio
• Circonio
• Tántalo
• Niobio
• Hafnio
• Cobalto
• La mayoría de sus aleaciones

Ejemplos de productos de aplicación

Debido a las extraordinarias propiedades que el PEO confiere a los metales ligeros, tiene una amplia variedad de aplicaciones. Sin embargo, debido a su elevado coste, su uso ha sido algo limitado.

Aeroespacial, militar, médico y tecnológico se encuentran entre sus usuarios.

Por ejemplo, las empresas aeroespaciales aplican recubrimientos PEO a sus aleaciones ligeras para hacerlas más resistentes. El Ejército de EE. UU. lo probó en las cabezas de pistón y las bombas de combustible de los Humvee. Estas piezas ganaron en resistencia al calor y en vida útil. El ámbito médico también emplea la oxidación por microarco para fabricar mejores prótesis de sustitución ósea. Las empresas tecnológicas recubren con PEO las carcasas de sus teléfonos móviles.

El PEO se ha aplicado, entre otras cosas, a:

• Piezas aeroespaciales
• Piezas de vehículos militares
• Prótesis de sustitución ósea
• Carcasas de teléfonos móviles

¿Cómo recubrir una pieza con el método de oxidación electrolítica por plasma?

El método de oxidación electrolítica por plasma es un proceso complicado. Requiere una preparación exhaustiva y los siguientes pasos.

Paso 1. Desengrase

Para que el proceso funcione, los sustratos —es decir, los metales que se van a recubrir— deben presentarse en su forma más pura. Las motas y la suciedad tienen consecuencias negativas en el resultado. Por ello, aunque pueda parecer limpio, el metal se somete a un procedimiento de desengrase.

En primer lugar, el desengrase implica el uso de papel de lija extremadamente fino. Esto deja la probeta de metal pulida hasta un acabado espejo.

A continuación, la pieza se limpia por ultrasonidos en acetona, etanol y agua destilada. Una vez eliminadas las partículas adheridas, el metal está listo para el tratamiento.

Paso 2. Oxidación por microarco

Una parte clave del tratamiento MAO es la celda electrolítica. Esta, a su vez, tiene tres componentes: un electrolito y dos electrodos (cátodo y ánodo).

El metal que se va a transformar actúa como ánodo, y el cátodo suele ser una placa de acero inoxidable.

Ambas piezas se sumergen en una disolución electrolítica acuosa. Este entorno líquido puede variar según las propiedades necesarias para el material resultante. Por ejemplo, un experimento llevado a cabo por científicos chinos y coreanos empleó carbonato de sodio, fosfato de sodio y acetato monohidrato. Para producir las descargas necesarias, utilizaron una fuente de alimentación pulsada.

El voltaje estuvo entre 200 y 500 V, la frecuencia de pulso fue de 900 Hz, el ciclo de trabajo fue del 3 % y el tiempo de duración, de 5 minutos.

Paso 3. Sellado

Tras la oxidación por microarco, la muestra se lava una vez más con agua destilada. Después, se deja secar a temperatura ambiente.

Esta última parte del proceso es necesaria para que las capas de óxido se sellen. Han crecido hacia dentro y hacia fuera desde la superficie del metal. La adherencia es tan potente como es posible, de una manera que ningún otro procedimiento puede garantizar.

Equipamiento necesario para el procesamiento de oxidación electrolítica por plasma

El equipo de oxidación electrolítica por plasma desempeña un papel importante en el proceso. Las máquinas utilizadas requieren un ajuste fino y los siguientes componentes.

1. Fuente de alimentación para oxidación por microarco

Para alcanzar las condiciones de temperatura y presión requeridas, lo primero que necesita es una fuente de alimentación eficaz.

Comparemos dos máquinas diferentes. Una pertenece al Gordon Laboratory, propiedad de la Universidad de Cambridge. Tiene una capacidad de 25 litros y requiere que su potencia de salida alcance un máximo de 10 kW.

¿Por qué? En primer lugar, la máquina debe funcionar a una frecuencia de 50 Hz. También aplica potenciales anódicos de hasta 600 V y potenciales catódicos de hasta 200 V. Estos potenciales se ajustan para mantener una corriente constante de 1,5 kA por metro cuadrado.

La segunda máquina pertenece a la empresa Keronite. Ofrece recubrimientos PEO a nivel industrial. Para ello, necesita suministrar 300 kW de potencia a capacidades de hasta 3500 litros.

La potencia se suministra en pulsos extremadamente cortos. Esto permite que picos de energía muy elevados lleguen a la celda electrolítica, maximizando así la eficiencia del proceso.

2. Tanque de oxidación por microarco e instalaciones auxiliares

Como se ha mencionado, el recubrimiento MAO se basa en un baño. Esto significa que el sustrato se coloca en un tanque, donde queda cubierto por una solución electrolítica acuosa.

Las soluciones varían según las características deseadas del recubrimiento. La anodización solía emplear ácido sulfúrico (H2SO4), altamente contaminante. El MAO, en cambio, utiliza soluciones desechables y limpias, en su mayoría patentadas.

Un sistema de circulación de refrigeración completa el diseño del tanque. Mediante tuberías que entran en contacto con la solución, proporciona formas de reducir la temperatura del proceso.

3. Material del cátodo

Las celdas electrolíticas requieren un ánodo y un cátodo. Las muestras de sustrato actúan como ánodos. Un material inerte, normalmente acero inoxidable, sirve como cátodo.

Como los ánodos y los cátodos no pueden estar en contacto, las muestras cuelgan de un soporte durante todo el proceso.

Preguntas frecuentes

Conclusión

La oxidación electrolítica por plasma está sustituyendo a la anodización como método número uno para mejorar industrialmente los metales ligeros. Tras décadas de investigación, el proceso se ha perfeccionado para hacer que los metales económicos sean más resistentes al calor y a la corrosión.

El PEO sigue siendo costoso y requiere tecnología de vanguardia. Sin embargo, empresas y universidades trabajan para generalizar su uso.