Che cos’è la galvanoplastica? Una guida pratica di ingegneria sui parametri del processo di galvanoplastica

La galvanoplastica è un processo chimico ampiamente utilizzato nell’ingegneria. Talvolta viene considerata un processo di finitura volto a preparare un componente affinché soddisfi specifici requisiti funzionali. Si prenda, ad esempio, un connettore elettrico in acciaio utilizzato nell’assemblaggio automobilistico. Senza galvanoplastica, il connettore può corrodersi facilmente quando il veicolo è esposto all’umidità e agli agenti contaminanti. Tuttavia, se sottoposto a galvanizzazione, il componente può resistere più a lungo in questi ambienti corrosivi, a seconda del materiale di rivestimento utilizzato. Questa tecnologia trova ampio impiego anche nel settore della bellezza. Grazie alla galvanizzazione, orecchini e collane assumono un aspetto dorato, risultando così più attraenti.

L'efficacia della galvanoplastica non dipende solo dalla scelta del materiale di rivestimento adeguato, ma anche dalla gestione dei parametri di processo. Questa analisi esamina vari parametri della galvanoplastica, tra cui la densità di corrente, il tempo di placcatura, la composizione chimica del bagno, la temperatura, il pH, l’agitazione, la disposizione anodo-catodo, la preparazione della superficie e l’efficienza di corrente. Questi parametri devono essere attentamente monitorati per ottenere lo spessore del rivestimento, l’adesione, la resistenza alla corrosione e la durezza specificati. Inoltre, comprendendo questi parametri, i produttori possono ottenere prestazioni elettriche, aspetto e condizioni dimensionali con una variazione di processo accettabile.

Che cos’è la galvanoplastica?

La galvanoplastica è un processo di produzione in cui, tramite elettrolisi, viene depositato un sottile strato di atomi metallici su un altro materiale. Il metallo aggiunto è denominato “metallo di deposizione”, mentre il materiale sottostante o il pezzo da lavorare è denominato “materiale di supporto”.

I componenti principali di un impianto di galvanoplastica comprendono il catodo (l'oggetto da placcare), l'anodo (un metallo che fornisce gli ioni necessari alla placcatura) e la soluzione elettrolitica contenente ioni disciolti, che insieme formano una cella elettrolitica regolata da precisi parametri elettrici ^[1]. L'alimentatore in corrente continua fornisce l'energia elettrica necessaria per la deposizione. La galvanoplastica comprende inoltre un sistema di controllo del processo per la regolazione dei parametri di processo.

Come funziona il processo di galvanizzazione?

Il processo di galvanizzazione è sequenziale: inizia con l’ispezione dei pezzi e termina con il controllo finale dopo la deposizione. In questa discussione illustreremo la deposizione di nichel su un componente in acciaio.

1. Ispezione dei componenti

Ispezione del substrato (nel nostro caso, l’acciaio) prima della placcatura. Gli aspetti chiave da osservare includono la composizione del metallo di base, la rugosità superficiale, i segni di lavorazione e le bave. Altri aspetti da tenere in considerazione sono la porosità, i difetti di saldatura e la precisione dimensionale. È necessario verificare la presenza di eventuali ossidi sul substrato, poiché questi possono influire sullo strato depositato. Tali difetti devono essere corretti prima dell’incisione. Il processo di galvanizzazione non nasconde questi difetti, che saranno comunque visibili in seguito sul pezzo finito.

2. Preparazione della superficie

La preparazione del substrato è fondamentale prima della deposizione, poiché un elevato grado di pulizia è essenziale per garantire una corretta adesione del rivestimento e prevenire difetti ^[3]. Anche se a occhio nudo l’acciaio può sembrare pulito, può comunque presentare tracce di grasso, oli, impronte digitali, ossidi, polvere e residui derivanti da precedenti lavorazioni. Questi contaminanti possono ostacolare l’adesione dello strato di nichel al substrato in acciaio. La preparazione prevede lo sgrassaggio del componente in acciaio in una soluzione alcalina per rimuovere gli oli, il risciacquo per eliminare la polvere e l’attivazione acida per rimuovere gli ossidi. In alcuni casi, viene applicato un strato di nichel di fondo. Si tratta di un sottile strato di nichel applicato prima della deposizione dello strato principale di nichel. Lo strato di nichel di fondo migliora l’adesione al substrato e fornisce una superficie di partenza efficace.

3. Galvanotecnica generale

Il processo di galvanizzazione comporta il trasferimento di elettroni. Si creano un anodo e un catodo per generare una differenza di potenziale. Nel nostro caso, la piastra di nichel è collegata al polo positivo, fungendo da anodo. Dall’altro lato, il componente in acciaio è collegato al polo negativo, fungendo da catodo. Sia l’anodo che il catodo sono immersi in un elettrolita contenente nichel. Una volta attivata la corrente continua, una corrente elettrica spinge gli ioni di nichel verso il componente in acciaio. Una volta depositati, gli ioni di nichel si trasformano in nichel metallico, formando uno strato. All’anodo, il nichel metallico perde elettroni trasformandosi in uno ione, come descritto dalla reazione:;

Ni → Ni²⁺ + 2e⁻

Al catodo, gli ioni di nichel presenti intorno all’acciaio acquisiscono elettroni formando nichel metallico, come descritto dalla reazione;

Ni²⁺ + 2e⁻ → Ni

4. Risciacquo e trattamento successivo

In ogni fase del processo di galvanizzazione, il componente viene risciacquato. Al termine del processo di elettrolisi, il risciacquo aiuta a rimuovere l’elettrolita dalla superficie. Il risciacquo contribuisce a prevenire la contaminazione incrociata tra i bagni. Dopo il risciacquo, il componente viene sottoposto a un trattamento successivo, che può includere sigillatura, passivazione, trattamento antirossamento, lubrificazione e asciugatura.

Quali sono i parametri più importanti nei processi di galvanoplastica?

La tabella seguente riassume i parametri principali del processo di galvanoplastica.

Densità di corrente

Il processo di galvanoplastica si basa sulla legge di Faraday, secondo cui:;

m = (M × I × t × η) / (n × F)

Dove m è la massa di nichel depositata, M la massa molare del nichel è ≈ 58,69 g/mol, I è la corrente in ampere e t è il tempo di placcatura in secondi. Ciò fornisce un quadro quantitativo per il calcolo della massa di metallo depositata durante l'elettrolisi ^[2].

Il processo di placcatura non dipende solo dalla quantità fornita. Progettisti e ingegneri tengono conto della densità di corrente (J). Si tratta della quantità di corrente fornita per unità di superficie. La densità di corrente è data dalla formula:;

J = I / A

Dove A è l'area placcata.

Sebbene l'aumento della densità di corrente comporti un aumento della velocità di deposizione, è necessario evitare una densità di corrente eccessiva. Ciò può causare bruciature, depositi irregolari, un'eccessiva evoluzione di idrogeno, un aspetto esteticamente scadente e un aumento delle sollecitazioni interne.

La densità di corrente viene spesso espressa in A/dm² (ASD), A/cm² o A/ft².

Tempo di placcatura

In base alla legge di Faraday, il tempo di placcatura influisce sulla quantità di metallo che può essere teoricamente depositata direttamente. Ciò significa che, mantenendo costanti altri fattori quali la densità di corrente, la concentrazione dell’elettrolita e i componenti del substrato, aumentando il tempo di placcatura è possibile aumentare la quantità di materiale depositato (nel nostro caso, lo spessore del deposito di nichel).

Supponiamo che il processo sia stato convalidato in modo tale che una determinata densità di corrente produca approssimativamente una velocità di deposizione nota. La tabella seguente mostra che lo spessore del rivestimento aumenta con il tempo di placcatura.

Tuttavia, la velocità di deposizione non dovrebbe essere valutata esclusivamente in base al tempo di placcatura. Devono essere rispettati tutti gli altri fattori descritti nella legge di Faraday. Una delle principali sfide nel controllo della corrente è la distribuzione non uniforme della corrente attorno al pezzo. Le caratteristiche dello stampo che presentano spigoli vivi o sporgenze tendono a ricevere una densità di corrente locale più elevata rispetto alle aree incassate. Ciò comporta che le regioni ad alta corrente generino rivestimenti più spessi, mentre quelle a bassa corrente generino rivestimenti più sottili.

Temperatura e pH degli elettroliti

La temperatura è un fattore chiave di attivazione che influenza tutti i processi chimici nella galvanoplastica. Essa determina la stabilità del bagno, il comportamento degli additivi, la cinetica di reazione e la conduttività elettrica. Si prenda, ad esempio, il processo MacDermid Alpha. Questo processo opera a una temperatura media di galvanizzazione ottimale di 55 °C, con un intervallo compreso tra 50 e 60 °C. Questo intervallo di temperatura è inferiore a quello del processo di nichelatura chimica Atotech, che opera a 74–76 °C.

Le condizioni di temperatura non costituiscono un vincolo per il funzionamento continuo. Esse sono direttamente correlate ai valori di pH. Ad esempio, nel nostro caso, una temperatura di esercizio di 55 °C comporterebbe una deposizione massima a un pH compreso tra 3,5 e 4,5. Le differenze di temperatura tra le diverse tecnologie operative dimostrano che gli ingegneri devono definire un ambiente operativo specifico. La temperatura deve essere rigorosamente controllata per evitare deviazioni dalla chimica della galvanoplastica.

Effetti del pH

Il pH influisce sull’equilibrio chimico dell’elettrolita. Influisce sull’efficienza della corrente, sulla disponibilità degli ioni metallici, sull’evoluzione dell’idrogeno, sul comportamento degli additivi, sulla morfologia del deposito e sulla sollecitazione del deposito. Il livello medio di pH consigliato specificato per il sistema di nichelatura elettrolitica MacDermid Alpha è 4,0, con un intervallo compreso tra 3,5 e 4,5. Il pH non deve superare né scendere al di sotto dei livelli raccomandati. Livelli di pH più elevati possono portare a depositi meno duttili. D'altra parte, livelli di pH più bassi possono ridurre l'efficienza di placcatura.

Come è possibile controllare la galvanoplastica in fase di produzione?

Il controllo del processo di galvanoplastica comporta la gestione di parametri chiave quali la composizione chimica del bagno (elettrolita), il pH, la corrente e il tempo di placcatura. Il controllo del bagno consiste nel regolare la concentrazione del metallo. Questo monitoraggio garantisce che avvenga un trasferimento ionico sufficiente dall’anodo al catodo. Il controllo del pH si concentra sulla concentrazione degli additivi e sui sottoprodotti della reazione. Un sistema di controllo misura il pH dei reagenti e dei prodotti finali per garantire il corretto equilibrio. Il controllo elettrico registra la corrente, la tensione e la densità di corrente. La densità di corrente deve rientrare negli intervalli raccomandati. Tutte queste misure sono programmate al computer e, nell’impianto industriale, segnali rossi e sirene segnalano eventuali deviazioni.

Riferimenti

[1] ASTM International. (2024). Norme per la galvanoplastica: stringere la vite. Notizie e approfondimenti tecnici ASTM. https://www.astm.org/news/standards-electroplating-turning-screw-mj24

[2] Istituto Nazionale di Standard e Tecnologia (NIST). (1997). Programma di tecnologia avanzata per la produzione di autoveicoli. Archivio dei rapporti tecnici del NIST. https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/IR/nistir6079.pdf

[3] ASM International. (s.d.). Rivestimenti elettrochimici. Manuali della Biblioteca digitale ASM. https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/46/chapter-abstract/552799/Electroplated-Coatings?redirectedFrom=PDF