ES2222218T3 - Proceso y aparato de limpieza y/o recubrimiento de superficies metalicas usando tecnologia electro-plasma. - Google Patents

Abstract

Un procedimiento para limpiar una superficie eléctricamente conductora disponiendo la superficie para formar el cátodo de una célula electrolítica en la que el ánodo se mantiene a una tensión de corriente continua superior a 30 V y se establece una descarga de arco eléctrico (electro-plasma) en la superficie de la pieza de trabajo por medio del ajuste adecuado de los parámetros de funcionamiento, caracterizado porque la separación de trabajo entre el ánodo y el cátodo se rellena con un medio eléctricamente conductor consistente en una espuma que comprende una fase de gas/vapor y una fase líquida.

Description

Proceso y aparato de limpieza y/o recubrimiento de superficies metálicas usando tecnología electro-plasma.

La presente invención se refiere a un procedimiento y un aparato mejorados de limpieza y/o recubrimiento de superficies metálicas usando tecnología electro-plasma.

Los metales, en particular, el acero en sus diversas formas, por lo general necesitan limpiarse y/o protegerse de la corrosión antes de ser destinados a su uso final. Cuando se fabrica el acero, normalmente tiene una capa de cascarilla de laminación (óxido negro) sobre su superficie que no se adhiere uniformemente y cubre el material subyacente sometido a corrosión galvánica. Por esto, la cascarilla de laminación se debe retirar antes de que se pueda pintar, recubrir o metalizar el acero (por ejemplo con cinc). El metal también puede tener otras formas de contaminación (conocidas en la industria como "suciedad") sobre sus superficies que incluyen el óxido, el aceite o la grasa, los lubricantes para trazados de embutición en prensa pigmentados, las rebabas y el fluido de corte, y los compuestos del pulido y del bruñido. Normalmente se deben retirar todos éstos. Incluso el acero inoxidable puede tener un exceso de óxido mixto sobre su superficie que hay que retirar antes de su uso posterior.

El procedimiento tradicional de limpieza de superficies metálicas incluye el decapado ácido (que resulta cada vez más inaceptable debido al coste y a problemas medioambientales causados por la eliminación del ácido usado); el chorreo abrasivo; el desarenado seco o húmedo; el cepillado; el desescamado por baño de sal; el desescamado alcalino y la limpieza ácida. Una operación de limpieza multietapas puede implicar, por ejemplo, (i) el quemado o la retirada por disolventes de los materiales orgánicos, (ii) el chorreo de arena o perdigones para retirar la cascarilla y el óxido, y (iii) la limpieza electrolítica como preparación final de la superficie. Si a la superficie limpiada se le va a dar protección por medio de un metalizado, un pintado o un recubrimiento plástico, generalmente, esto se deberá hacer rápidamente para evitar que se renueve la oxidación de la superficie. El tratamiento multietapas es efectivo pero costoso, tanto en términos de consumo de energía como de tiempo de fabricación. Muchos de los tratamientos convencionales son también indeseables medioambientalmente.

Con frecuencia, los procedimientos electrolíticos de limpieza de superficies metálicas se incorporan dentro de las líneas de procesamiento como las del galvanizado y el recubrimiento electrolítico (chapado) de bandas de acero y chapas. Los recubrimientos comunes incluyen cinc, aleación de cinc, estaño, cobre, níquel y cromo. Las líneas de limpieza electrolítica independientes también se usan para alimentar múltiples operaciones posteriores. Normalmente, la limpieza electrolítica (o "electrodecapado") implica el uso de una solución de limpieza alcalina que forma el electrolito mientras la pieza de trabajo sea el ánodo o el cátodo de la célula electrolítica, o de lo contrario puede alternarse la polaridad. Estos procedimientos generalmente operan a baja tensión (típicamente de 3 a 12 voltios) y densidades de corriente de 1 a 15 Amps/dm^{2}. De este modo los consumos de energía varían desde aproximadamente 0,01 a 0,5 kWh/m^{2}. La retirada de la suciedad se efectúa por medio de la generación de burbujas de gas que extraen el contaminante de la superficie. Cuando la superficie de la pieza de trabajo es el cátodo, la superficie no únicamente se puede limpiar sino también "activar", proporcionando de ese modo una adhesión mejorada a un recubrimiento posterior. Normalmente la limpieza elecrolítica no es viable para la retirada de cascarilla pesada, y esto se realiza en una operación aparte como el decapado ácido y/o el chorreo abrasivo.

La limpieza electrolítica convencional y los procedimientos de recubrimiento electrolítico operan en un régimen de baja tensión en el que la corriente eléctrica se incrementa de forma monótona con la tensión aplicada. Bajo algunas condiciones, cuando se eleva la tensión, se alcanza un punto en el que se produce la inestabilidad y la corriente empieza a disminuir con el incremento de la tensión. Éste régimen inestable marca la aparición de descargas eléctricas en la superficie de uno u otro electrodo. Estas descargas ("microarcos" o "micro-plasmas") se producen a través de cualquier capa apropiada no conductora presente sobre la superficie, como, por ejemplo, una capa de gas o de vapor. Esto sucede porque el gradiente de potencial es muy alto en estas regiones.

Técnica anterior

El documento GB-A-1399710 contempla que una superficie metálica se puede limpiar electrolíticamente sin un sobrecalentamiento y sin un consumo excesivo de energía si el procedimiento se produce en un régimen justo pasando la región inestable, definiéndose la "región inestable" como una región en la que la corriente disminuye con el incremento de la tensión. Pasando a tensiones ligeramente superiores, en las que la corriente se incrementa de nuevo con el incremento de la tensión y en las que se establece una película continua de gas/vapor sobre la superficie tratada, se obtiene una limpieza eficaz. Sin embargo, el consumo de energía de este procedimiento es alto (de 10 a 30 kWh/m^{2}) si se compara con el consumo de energía para el decapado ácido (de 0,4 a 1,8 kWh/m^{2}).

El documento SU-A-1599446 describe un procedimiento de limpieza por erosión por arco eléctrico electrolítico de alta tensión por electrodos infungibles que usa densidades de corriente extremadamente altas, del orden de 1000 A/dm^{2}, en una solución de ácido fosfórico.

El documento SU-A-1244216 describe un tratamiento de limpieza por micro-arco para mecanizar piezas que opera de 100 a 350 V usando un tratamiento anódico. No se contempla ningún procedimiento particular de manejo del electrolito.

Se han descrito otros procedimientos en el documento GB-A-1306337 de limpieza electrolítica en el que se usa una etapa de erosión por arco eléctrico en combinación con un paso autónomo de limpieza química o electroquímica para retirar la cascarilla de óxido; en el documento US-A-5232563 en el que se retiran los contaminantes de las pastillas semiconductoras a bajas tensiones de 1,5 a 2 V por medio de la producción de burbujas de gas sobre la superficie de la pastilla que despega los contaminantes; en el documento EP-A-0657564, en el que se contempla que la limpieza normal electrolítica a baja tensión no es efectiva para la retirada de grasa, pero que los metales oxidables electrolíticamente como el aluminio se pueden desengrasar eficazmente bajo condiciones de alta tensión (micro-arco) por medio de anodizado ácido.

El uso inyectores de electrolito situados cerca de los electrodos en los baños de limpieza electrolítica para crear un flujo turbulento de alta velocidad en la zona de limpieza se contempla, por ejemplo, en los documentos JP-A-08003797 y DE-A-4031234.

La limpieza electrolítica de objetos contaminados radiactivamente usando un único inyector de electrolito sin la inmersión total del objeto, se contempla en el documento EP-A-0037190. El objeto limpiado es anódico y la tensión usada está comprendida entre 30 y 50 V. Se recomiendan cortos periodos de tratamiento del orden de 1 segundo para evitar la erosión de la superficie y completar la retirada del óxido que se considera es indeseable. La no-inmersión también se contempla en el documento CA-A-1165271 en el que el electrolito se bombea o se vierte a través de un ánodo con forma de caja con una serie de agujeros en su base. El propósito de esta disposición es permitir que se electrodeposite una banda metálica, únicamente sobre un lado, y específicamente, evitar el uso de un ánodo fungible.

El documento DE-A-3715454 describe la limpieza de alambres por medio de un tratamiento electrolítico bipolar pasando el alambre a través de una primera cámara en la que el alambre es catódico y una segunda cámara en la que el alambre es anódico. En la segunda cámara, se forma una capa de plasma en la superficie anódica del alambre por medio de la ionización de una capa de gas que contiene oxígeno. En su tratamiento el alambre se sumerge completamente en el electrolito.

El documento EP-A-0406417 describe un procedimiento continuo para el trefilado de alambre de cobre a partir de una barra de cobre en el que la barra se limpia por plasma antes de la operación de trefilado. El alojamiento del "plasmatrón" es el ánodo y el alambre también se rodea por un ánodo coaxial interno con la forma de un manguito perforado con forma de U. Para iniciar la producción de plasma la tensión se mantiene a un valor bajo pero sin especificar, se baja el nivel del electrolito por encima del alambre, y se disminuye el caudal del flujo para estimular la aparición de una descarga en la superficie del alambre.

Mientras que la limpieza electrolítica de baja tensión se usa ampliamente para preparar las superficies metálicas para el electrochapado u otros tratamientos de recubrimiento, ésta no puede hacer frente a los depósitos de óxido gruesos como la cascarilla sin un inaceptable alto gasto de energía. Dichos procedimientos de limpieza electrolítica se deben usar, por consiguiente, en conjunción con otros procedimientos de limpieza en una operación multietapas.

El documento WO-A-97/35052 describe un procedimiento electrolítico para limpiar superficies eléctricamente conductoras usando un electro-plasma (descarga en arco) en el que un electrolito líquido fluye a través de uno o más agujeros en un ánodo mantenido a una tensión de corriente continua alta e incide sobre la pieza de trabajo (el cátodo) proporcionando de ese modo un circuito eléctricamente conductor. El sistema se opera en un régimen en el que la corriente eléctrica decrece o se mantiene sustancialmente constante con incrementos en la tensión aplicada entre el ánodo y el cátodo y en un régimen en el que están presentes burbujas discretas de gas y/o vapor sobre la superficie de la pieza de trabajo durante el tratamiento.

El documento WO-A-97/35051 describe un procedimiento electrolítico para limpiar y recubrir superficies eléctricamente conductoras que es similar al procedimiento descrito en el documento WO-A-97/35052 excepto porque el ánodo comprende un metal para el recubrimiento metálico de la superficie de la pieza de trabajo.

En la aplicación de los procedimientos de los documentos WO-A-97/35051 Y WO-A-97/35052 se forma una descarga de arco o electro-plasma sobre la superficie de la pieza de trabajo y se establece dentro de la capa de burbujas. El plasma tiene el efecto de retirar rápidamente la cascarilla y otros contaminantes de la superficie de la pieza de trabajo, dejando una superficie metálica limpia que también se puede pasivar (resistente a oxidación adicional).

Si, adicionalmente, se fabrica el ánodo con un material no-inerte, como un metal no-refractario, entonces los átomos del metal se trasfieren desde el ánodo hasta el cátodo, proporcionando un recubrimiento metálico sobre la superficie limpiada.

El recubrimiento también se puede conseguir bajo el régimen de operación descrito más arriba usando un ánodo inerte y un electrolito que contenga iones del metal a recubrir como se describe en el documento WO-A-99/15714.

En este caso el procedimiento se convierte en una forma especial de electrochapado, pero debido a que esto sucede a una tensión elevada en presencia de una descarga de arco eléctrico, el plateado es más rápido que el electrochapado normal y el recubrimiento tiene mayor adhesión al metal del sustrato.

El documento WO-A-98/32892 describe un procedimiento que opera esencialmente de la forma descrita más arriba pero que usa una mezcla de gas/vapor conductora como medio conductor. Ésta mezcla gas/vapor se genera dentro de un ánodo de cámara doble o múltiple antes de que ser eyectada dentro del espacio de trabajo a través de agujeros en el ánodo. La mezcla de gas/vapor se genera calentando un electrolito acuoso dentro de las cámaras del ánodo hasta el punto de ebullición o superior, y las cámaras del ánodo se pueden calentar tanto por la corriente eléctrica principal como por calentadores eléctricos independientes.

El documento EP-A-00955393 revela un procedimiento y un aparato para tratamiento multifuncional de la superficie que implica la limpieza y la aplicación de un recubrimiento por medio de plasma formado en la zona cercana a la superficie del objeto a través del suministro de una mezcla de un vapor de agua-gas sobre la superficie tratada vía la superficie de trabajo de un dispositivo del ánodo con aberturas pasantes. Un objeto tratado, un cátodo y el dispositivo del ánodo se sitúan en una cámara. Un reactor se coloca en el dispositivo del ánodo y un depósito para el electrolito se coloca fuera de una cámara y se acopla al dispositivo del ánodo.

Ahora hemos desarrollado un procedimiento mejorado en el que un electro-plasma (descarga de arco) se emplea para limpiar y/o aplicar un recubrimiento metálico a una superficie eléctricamente conductora, por ejemplo, acero, en el que el circuito eléctricamente conductor se prevé por medio de un electrolito espumoso que rellena el espacio entre el ánodo y el cátodo y proporciona ventajas con respeto a un consumo de energía menor, un tratamiento de la superficie más uniforme y una mayor flexibilidad en la medida de la distancia de separación entre el ánodo y la pieza de trabajo.

Resumen de la invención

En consecuencia con un primer aspecto, la presente invención proporciona un procedimiento para limpiar una superficie eléctricamente conductora disponiendo la superficie para formar el cátodo de una célula electrolítica en la que el ánodo se mantiene a una tensión de corriente alterna en exceso de 30 V y se establece una descarga de arco eléctrico (electro-plasma) en la superficie de la pieza de trabajo por medio del ajuste adecuado de los parámetros de funcionamiento, caracterizado porque la distancia de separación de trabajo entre el ánodo y el cátodo se rellena con un medio eléctricamente conductor consistente en una espuma que comprende una fase de gas/vapor y una fase líquida.

El medio eléctricamente conductor puede contener iones positivos de las especies (una o más) requeridas para formar el recubrimiento.

En otro aspecto adicional la presente invención proporciona un aparato para limpiar y/o recubrir una superficie eléctricamente conductora que comprende

(i)

una zona de tratamiento sellada con uno o más conjuntos anódicos dispuestos adecuadamente con respecto a la superficie o superficies a tratar, comprendiendo el conjunto o cada conjunto anódico una placa anódica perforada que está en comunicación con una cámara adaptada para recibir un flujo de electrolito líquido, medios para suministrar el electrolito líquido a dicha cámara y medios para convertir en una espuma el electrolito líquido recibido en dicha cámara.

(ii)

medios para mover continuamente una pieza de trabajo a tratar a través de la zona de tratamiento entre los conjuntos anódicos,

(iii)

medios para abrir y cerrar la zona de tratamiento, y

(iv)

medios para controlar el suministro de una espuma a la zona de tratamiento y la retirada de ésta de zona de tratamiento.

y en el que la cámara se divide en dos secciones por medio de un divisor de cámara perforado y una pantalla de caldeo que, en funcionamiento, hace hervir el electrolito y de este modo convierte el electrolito en una espuma.

Descripción de la invención

La espuma se puede producir adecuadamente hirviendo un electrolito acuoso, aunque también se pueden usar otros procedimientos de producción de espuma. La pieza de trabajo se limpia si el electrolito espumado contiene únicamente iones de metales que reaccionan con el agua, como por ejemplo, el sodio o el potasio. Si están presentes otros iones metálicos, éstos, adicionalmente, se depositarán para formar un recubrimiento sobre la pieza de trabajo limpiada.

Los parámetros de funcionamiento que se pueden ajustar para proporcionar las condiciones necesarias para el establecimiento de un electro-plasma incluyen; la tensión; la composición química de la espuma; la densidad de la espuma; la temperatura de la espuma; la velocidad a la que se suministra la espuma al espacio de trabajo; y la anchura del espacio de trabajo (la distancia entre el ánodo y el cátodo).

Ésta invención también prevé un conjunto anódico que contiene una o más cámaras de caldeo en las que un electrolito se puede convertir en una espuma antes de ser inyectado en el espacio de trabajo, junto con los medios para retirar la espuma del espacio de trabajo, filtrar, regenerar y recircular la espuma agotada.

Esta invención prevé además el confinamiento de la espuma dentro del espacio de trabajo por medio de un recinto por el que se puede mover la pieza de trabajo sin fuga importante de espuma.

La presente invención representa una mejora de los procedimientos de la técnica anterior de limpieza y/o recubrimiento en la que el medio conductor entre el ánodo y el cátodo no es ni un electrolito líquido ni una mezcla de gas/vapor, sino una espuma eléctricamente conductora que rellena todo el espacio de trabajo. Generalmente, el término "espuma" se refiere a un medio que contiene al menos un 20%, preferentemente un 30%, en volumen de un gas y/o vapor en forma de burbujas o células, siendo líquido el resto del medio. La espuma usada en la presente invención se forma generalmente a partir de un electrolito acuoso.

Esta espuma se puede formar convenientemente hirviendo un electrolito acuoso, como por ejemplo una solución de sales metálicas en agua. Se pueden añadir estabilizadores y agentes espumantes para optimizar las propiedades de la espuma, por ejemplo en términos de densidad de la espuma, tamaño de la burbuja o célula.

Sin embargo, también se pueden emplear otros procedimientos de producción de espuma, como la incorporación de agentes de inflado activados térmicamente en un electrolito; la liberación de presión procedente de un electrolito líquido sobresaturado con una sustancia volátil (como cuando se agita y se abre una botella de champán); la inyección mecánica de un electrolito líquido con vapor de agua u otro vapor o gas; el "montado" mecánico de un electrolito relativamente viscoso; o la combinación de dos corrientes líquidas que reaccionan juntas químicamente para producir un gas que provoque que la mezcla "se convierta" en una espuma; u otros medios conocidos en la técnica de crear espumas líquidas.

El uso de una espuma como el medio conductor tiene las siguientes ventajas sobre los electrolitos líquidos.

a)

La espuma, en virtud de su contenido de gas/vapor, tiene una conductividad menor que la correspondiente al electrolito líquido. Esto reduce el flujo de corriente durante la limpieza/el recubrimiento y reduce de este modo el consumo de energía y mejora la economía del procedimiento.

b)

Debido a que el tamaño de la burbuja y el contenido total de gas/vapor de la espuma se pueden variar, esto proporciona un medio adicional de control sobre el consumo de energía del procedimiento y la intensidad del procedimiento. Esto permite, por otra parte, controlar la uniformidad o rugosidad (la topografía o perfil) de la superficie limpiada o recubierta.

c)

Como la espuma rellena todo el espacio de trabajo, la conducción eléctrica implica toda la superficie del ánodo y toda la superficie de la pieza de trabajo bajo el ánodo. Esto contrasta con el uso de un electrolito líquido en el que las corrientes independientes del electrolito inciden sobre la pieza de trabajo. El uso de espuma mejora así la uniformidad del procedimiento, tanto en lo que se refiere a la superficie tratada como (donde sea aplicable) a la erosión de cualquier ánodo de sacrificio. El flujo de corriente es también más uniforme no estando afectado por la interrupción de las corrientes líquidas que pueden ocurrir cuando se usa un electrolito líquido y, por ejemplo, se bloquean los agujeros del ánodo.

d)

Cuando las corrientes líquidas inciden sobre la pieza de trabajo hay un límite para la medida del espacio de trabajo que se puede usar en la práctica porque las corrientes líquidas desintegran y destruyen el circuito conductor. Esto no ocurre cuando la espuma rellena uniformemente el espacio de trabajo, de modo que se pueden usar espacios de trabajo menores y mayores. Esto tiene una importancia práctica grande en, por ejemplo, la limpieza en cadena de chapas de acero en la que no es viable mantener un espacio de trabajo uniforme. La mayor tolerancia del procedimiento de espuma a las variaciones en el espacio de trabajo proporciona una ventaja práctica bajo dichas condiciones.

Las ventajas enumeradas más arriba no pretenden ser exhaustivas sino poner de manifiesto que el uso de la espuma como medio conductor en lugar del líquido o el gas/vapor representa un avance único en la tecnología de la limpieza y recubrimiento por electro-plasma.

La espuma se puede producir convenientemente inyectando un electrolito acuoso dentro del espacio de trabajo a través de agujeros en el ánodo de caldeo de modo que el electrolito hierva y se espume en el procedimiento. Preferentemente, el electrolito se calienta hasta su punto de ebullición antes de pasar dentro del espacio de trabajo.

Esta espuma mejorada se puede conseguir adecuadamente haciendo que el conjunto anódico contenga una o más cámaras calentadas por las que el electrolito pasa continuamente, estando separadas las cámaras por placas perforadas para permitir el paso del electrolito desde una cámara a otra y finalmente dentro del espacio de trabajo.

Las propias cámaras se pueden calentar pasando la corriente de operación por el conjunto anódico pero preferentemente por medio de uno o más calentadores independientes situados dentro de la cámara(s).

En una forma de realización de la invención alternativa, se aplica una tensión al ánodo y se inyecta el electrolito dentro del espacio de trabajo por otro punto conveniente distinto de los agujeros en el ánodo. El electrolito se convierte en espuma en el espacio de trabajo haciéndolo hervir por su propio calentamiento resistivo (o de otra manera) y entrar en contacto con las superficies calientes del ánodo y/o el cátodo. Preferentemente, sin embargo, el electrolito se convierte en espuma por medios adecuados fuera del espacio de trabajo y entonces se inyecta dentro de éste.

Si se introduce la espuma dentro del espacio de trabajo a través de agujeros en el ánodo o de otra manera, es necesario prever medios para retirar de la región de trabajo la espuma usada. Si el sistema es abierto, esto sucederá de modo natural cuando la espuma recorre la pieza de trabajo hasta un depósito de recogida. Si el espacio de trabajo es cerrado, se prevé un puerto de escape para drenar la espuma usada. En la mayoría de los casos la espuma usada se puede condensar a líquido, limpiar, filtrar, rejuvenecer (por ejemplo por medio del ajuste del PH o la concentración salina), recalentar, y recircular.

El procedimiento de la presente invención se lleva a cabo de forma que se establece una descarga de arco eléctrico (electro-plasma) en la superficie de la pieza de trabajo. Esto se consigue con el ajuste adecuado de los parámetros de funcionamiento como la tensión, la separación entre electrodos, el caudal del flujo de electrolito dentro de la zona de trabajo (si está en la forma de líquido o espuma) y la temperatura del electrolito. También puede ser ventajoso iniciar la descarga de plasma en un medio acuoso (no espumado) e introducir entonces el electrolito espumado dentro del espacio de trabajo. Por ejemplo, en una cámara de trabajo cerrada (ver más abajo) se puede permitir que se forme una acumulación de electrolito líquido entre el ánodo y la pieza de trabajo (cátodo) que proporciona un puente conductor para la iniciación del procedimiento y el establecimiento del régimen de plasma deseado.

Otra forma más de realización de la invención se consigue ubicando el ánodo y la superficie de la pieza de trabajo sometida a tratamiento dentro de un cierre hermético que tiene el efecto de contener la espuma. Esto facilita que la espuma rellene completamente el espacio de trabajo en todo momento y permite que se reduzca el caudal de inyección de espuma. Esto también permite que se mantenga una presión algo más alta que la atmosférica en la región de trabajo. Una presión elevada tiene el efecto de reducir el tamaño de las burbujas tanto dentro de la espuma como sobre la superficie de la pieza de trabajo y puede producir superficies limpias o recubiertas más uniformes.

Como una aplicación importante de la invención es su uso en procedimientos continuos, en los que la pieza de trabajo se mueve continuamente a través de la zona de tratamiento, el recinto debe permitir que se mueva la pieza de trabajo manteniendo a la vez una estanqueidad razonable. Esto se puede conseguir usando juntas herméticas de caucho flexible alrededor de la pieza en movimiento.

Los efectos de limpieza conseguidos por medio del procedimiento de la presente invención se estiman que se producirán en gran medida (aunque no exclusivamente) por medio de la fusión microzonal de la superficie de la pieza de trabajo. Se forman pequeñas burbujas de hidrógeno y vapor sobre el cátodo y provocan una descarga disruptiva debido al alto gradiente de potencial desarrollado a través de ellas. Como cada burbuja provoca una descarga disruptiva, se forma un micro-arco brevemente, elevando la temperatura de la superficie dentro de una micro-región (una región medida en micrómetros) y causando la fusión localizada de la superficie. Es decir, la fusión microzonal de la superficie ocurre por medio de descargas de plasma microeléctrico entre los iones positivos en la espuma que se concentran cerca de la superficie de la pieza de trabajo y la superficie de trabajo. Después de que ha ocurrido la microdescarga, la superficie se solidifica rápidamente de nuevo.

El procedimiento de la presente invención se puede usar de varias formas para limpiar o recubrir simultáneamente uno o ambos lados de un artículo por medio del uso de ánodos múltiples posicionados adecuadamente con respecto a la pieza de trabajo. Se puede tratar cualquier contorno o perfil de la pieza de trabajo como por ejemplo chapas, placas, alambres, barras, tubos, conductos o formas complejas, usando si fuera necesario superficies anódicas conformadas para proporcionar una distancia de trabajo razonablemente uniforme. Según la presente invención, se pueden tratar tanto piezas estáticas como en movimiento.

La presente invención se describirá más a fondo con respecto a las Figuras de la 1 a la 4 de los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1 representa esquemáticamente un conjunto anódico para la generación de espuma;

La Figura 2 representa la operación continua del procedimiento de la presente invención;

La Figura 3 representa la superficie de una pieza de trabajo tratada según el procedimiento de la invención; y

La Figura 4 representa una forma de realización adicional de la operación continua del procedimiento de la invención.

Con referencia a la Figura 1 de los dibujos, un conjunto anódico 1 comprende una placa anódica perforada 2 que encara una superficie de la pieza de trabajo 3 que actúa como cátodo. El conjunto anódico 1 tiene una primera cámara 4, que contiene un electrolito líquido, que se separa de una segunda cámara 5, que contiene espuma, por medio de un divisor de cámaras perforado 6 y una pantalla de caldeo con un regulador de temperatura 7. El electrolito líquido se suministra a la primera cámara 4 a través del colector de entrada 8. El electrolito líquido se calienta por medio de la pantalla de caldeo 7 y se le hace hervir y espumar. La espuma que se recoge en la segunda cámara 5 pasa a través de los agujeros en la placa anódica perforada 2 para rellenar el espacio 9 entre la placa anódica 2 y la pieza de trabajo 3. La pieza de trabajo 3 se coloca sobre rodillos 10 de modo que ésta se puede mover bajo la placa de ánodo 2 cuando ésta se ha tratado. Los rodillos 10 pueden también actuar para conectar a tierra el sistema.

Con referencia a la Figura 2 de los dibujos, se muestra un sistema para tratar continuamente ambas caras de una pieza en movimiento. El sistema opera en la dirección vertical. Una pieza de trabajo 11, que actúa como cátodo, se guía en la dirección vertical por medio de dos juegos de cilindros 12 y 13 que no guían únicamente la pieza de trabajo, sino que también actúan para conectar a tierra el sistema. La pieza de trabajo 11 se guía por medio de cilindros 12 a través de juntas herméticas de caucho flexible 14 dentro de la zona de tratamiento que está prevista con conjuntos anódicos 15 a ambos lados de la pieza de trabajo. Los conjuntos anódicos 15 se montan esencialmente según la disposición mostrada en la Figura 1, a excepción de que éstos se posicionan verticalmente. El electrolito se pasa a través de entradas 16 dentro de los conjuntos anódicos 15 y se hace espumar en su interior. La espuma se inyecta, en la dirección mostrada, desde los conjuntos 15 dentro de los espacios de trabajo 17 sobre ambos lados de la pieza de trabajo. Durante el tratamiento la pieza de trabajo se mueve (por enrollado u otro medio adecuado) sobre rodillos de guiado 13 a través de juntas de caucho 18 que contienen la espuma en la zona de tratamiento mientras se mueve la pieza de trabajo 11.

La Figura 3 representa la superficie picada característica de una pieza de trabajo tratada según la invención. La superficie tiene una superficie picada característica consistente en pequeños cráteres correspondientes al tamaño de las micro zonas que se funden durante el procedimiento de limpieza.

Con referencia a la Figura 4 de los dibujos, el aparato comprende una pieza de trabajo siendo tratada 20, una fuente de energía eléctrica 21, una cámara de reacción 22, un depósito para electrolito 23 y una canalización de suministro 24. La cámara de reacción 22 se conecta al polo positivo de la fuente de energía eléctrica 21 y se construye con cámaras 25 para la preparación de la espuma. Las cámaras 25 tienen aberturas 26 en la base 27. Las aberturas 26 están en comunicación con las secciones de tratamiento 28. El aparato incluye cilindros aislados eléctricamente 29 que cierran la sección de tratamiento 28, mecanismos 30 para la descarga a presión a través de derivaciones equipadas con válvulas dentro del depósito 23, cilindros metálicos puestos a tierra 31, una envuelta aislante 32, una cámara protectora 33, y una canalización de descarga 34. La pieza de trabajo bajo tratamiento 20 se conecta al polo negativo de la fuente de energía eléctrica 21 y se pasa a través de la zona de tratamiento 28. El electrolito se suministra desde el depósito 23 y la canalización de suministro 24, equipada con una bomba (no mostrada), a las cámaras 25 de la cámara de reacción 22. La espuma se prepara a partir del electrolito que pasa a través de las aberturas 26 en la placa 27 dentro de la zona de tratamiento 28, en la que tiene lugar la modificación de la superficie de la pieza de trabajo por medio de la doble fusión microzonal de la capa superficial por medio de la aplicación de descargas de micro-electroplasma entre los iones concentrados cerca de la superficie de la pieza de trabajo 20 bajo tratamiento. La espuma se retiene dentro de la zona de tratamiento 28 por medio de un cierre formado por cilindros aislados eléctricamente 29. El exceso de espuma se drena y la presión se descarga a través de aberturas 30 por medio de derivaciones, equipadas con válvulas, dentro del depósito de electrolito 23. Para conectar el polo negativo de la fuente de energía 21 a la pieza de trabajo bajo tratamiento 20 se usan cilindros metálicos 31 puestos a tierra. Para aislar eléctricamente la cámara de reacción 22 ésta se coloca dentro de una envuelta aislante 32. La cámara de reacción 22 con la envuelta 32 se coloca en una cámara protectora 33 para protegerla del electrolito y de la fuga de espuma y para ayudar en la mejora del reciclaje del electrolito. El electrolito que se acumula en la cámara protectora 33 se drena dentro del depósito 23 por medio de la canalización de descarga 24.

La presente invención se describirá más adelante en relación con los Ejemplos siguientes:

Ejemplo 1

Una banda continua de acero bajo en carbono cubierta en ambos lados con una capa de cascarilla de laminación negra se pasó verticalmente a través del aparato cerrado mostrado en la Figura 2 a una velocidad uniforme de aproximadamente 1 cm/seg. El ancho de la banda era 10 cm y el área de trabajo de cada ánodo era 10 cm x 10 cm.

Un electrolito consistente en una solución al 10% de bicarbonato sódico en agua se precalentó a 90°C y se hizo fluir a través de agujeros en las placas de ánodo situadas a cada lado de la banda dentro de un espacio de trabajo (distancia entre el ánodo y la pieza de trabajo) de 10 mm.

Inicialmente el electrolito se acumuló en el fondo de la cámara, reteniéndose parcialmente por medio de las juntas de caucho. Se aplicó una tensión de corriente continua al ánodo (estando puesta a tierra la banda) y se limitó automáticamente a unos 10 V debido al alto flujo de corriente superior a 40 amperios.

La caudal del flujo del electrolito se disminuyó gradualmente hasta que el calentamiento resistivo del electrolito líquido acumulado en el fondo de la cámara lo hace hervir y espumar, rellenando de arriba a abajo con espuma los espacios de trabajo a cada lado de la banda.

Al mismo tiempo el flujo de corriente disminuyó bruscamente y (bajo la influencia de la fuente de potencia inteligente) la tensión de corriente continua se elevó hasta un valor máximo preseleccionado de 150 V. El plasma se formó sobre las superficies de la banda de acero (proporcionándose la visibilidad en la cámara por medio de ventanas laterales de Plexiglás).

En estas condiciones el procedimiento se estabilizó, con un flujo de corriente a través de cada ánodo de aproximadamente 20 amperios. De este modo el consumo de energía fue de aproximadamente 30 W/cm^{2} de superficie tratada. Comparado esto con un consumo de energía de aproximadamente 50 W/cm^{2} para un procedimiento llevado a cabo en un aparato como el representado en la Figura 1 pero usando corrientes de electrolito líquido sin espumado.

La superficie de la banda de acero se limpió en ambos lados, retirándose completamente la cascarilla de laminación, y se eliminó por lavado la contaminación de electrolito usando agua caliente limpia.

La superficie estaba compuesta de una capa fina (de un grosor de unos pocos micrómetros) de hierro alfa de la que se había retirado el carbono generando una superficie pasivada (resistente a la oxidación).

Ejemplo 2

Una banda continua de acero bajo en carbono como en el Ejemplo 1 se pasó horizontalmente a través de un aparato como el mostrado en la Figura 1 a una velocidad de aproximadamente 1 cm/seg. Un electrolito como el descrito en el Ejemplo 1 se hizo fluir a través de agujeros en la placa anódica sobre la banda dentro del espacio de trabajo, que se ajustó a 10 mm. Se aplica una tensión de 200 V de corriente continua al ánodo. Inicialmente el electrolito estaba compuesto de corrientes líquidas, y se estableció un plasma estable sobre la superficie de la banda reduciendo gradualmente el caudal del flujo del electrolito.

El calentador interno en el conjunto anódico se encendió, elevando la temperatura del electrolito y haciéndolo rellenar el espacio de trabajo sustancialmente en forma de una espuma. Mientras estaba funcionando el procedimiento, el espacio de trabajo se incrementó hasta 20 mm sin destruir el plasma o interrumpir el procedimiento de limpieza.

Sin un electrolito espumado (por ejemplo, usando únicamente corrientes de electrolito líquidas) dicho incremento del espacio de trabajo provoca que se extinga el plasma. Por ello, se pueden usar distancias de trabajo mayores con un electrolito espumado que con un electrolito líquido.

La superficie de la banda de acero se limpió en un lado, retirándose completamente la cascarilla de laminación.

Ejemplo 3

Una chapa de cobre estacionaria se limpió de óxido en un aparato como el mostrado en la Figura 2. El procedimiento fue esencialmente el descrito en el Ejemplo 1 excepto porque el electrolito estaba compuesto de una solución saturada de cloruro sódico calentado a 90°C. En este caso, sin embargo, el conducto de escape del electrolito se limitó por medio de una pinza para generar en la cámara de trabajo cerrada una presión ligeramente elevada estimada en 112 kPa.

La chapa de cobre se limpió y la superficie resultante fue más uniforme que la producida usando un electrolito líquido, a la presión atmosférica y sin espumado, en un aparato como el mostrado en la Figura 1.

Ejemplo 4

Un alambre de 3 mm de acero con alto contenido en carbono, con cascarilla de "temple isotérmico" se limpió en un aparato similar al de la Fig. 2 del presente documento pero se dispuso horizontalmente, con la pieza de trabajo (el alambre) deslizando también horizontalmente.

Para crear la cascarilla de "temple isotérmico", se calentó un alambre como el dibujado por encima de 900°C y entonces se templó en plomo fundido a 510°C. El procedimiento de temple isotérmico produjo una cascarilla fina, fuertemente adherida, que principalmente era Fe_{3}O_{4} y no era soluble en ácido sulfúrico. Por lo tanto, este tratamiento produce una cascarilla mucho más tenaz que la normal y presenta un reto particular para cualquier procedimiento diseñado para retirarla.

El alambre se limpió de cascarilla, estáticamente, bajo las siguientes condiciones.

Temperatura del electrolito	90°C(temperatura de líquido antes del espumado)
Composición del electrolito	10% de NaHCO_{3} acuoso (pH 7.64)
Velocidad del flujo de electrolito	0,25 g/min
Presión de la cámara de trabajo	17,2 a 62,0 kPa (2,5 psi a 9,0 psi)

Los dos ánodos se fabricaron de acero inoxidable. La placa anódica era de 53 mm y 228 mm de longitud, proporcionando un área de la superficie de trabajo de aproximadamente 12000 mm^{2}. La distancia desde cada cara del ánodo al alambre era de 22,0 mm.

El electrolito entró en la cámara de trabajo a través de una abertura de 6,0 mm en el centro superior de la cámara de trabajo. Se previó una salida simple de 6,0 mm en la zona superior izquierda del espacio de trabajo. Esta salida tenía un manómetro y una válvula reguladora.

En el fondo de la cámara de trabajo se situaron dos calentadores cerámicos de 500 vatios que se usaron para hervir el electrolito líquido (inicialmente), para así rellenar con espuma la cámara de trabajo. Se usó un cristal de observación para determinar el nivel del líquido sobre los calentadores y bajo el alambre.

El plasma se inició a 140 V de corriente continua ajustando el caudal del flujo del electrolito. Se inició el espumado. La corriente de funcionamiento se redujo entonces en incrementos de 10 voltios hasta que la tensión alcanzó 80 V cuando se extinguió el plasma. La corriente varió desde 5 amperios a 140 V hasta un máximo de 13 amperios a
80 V. El procedimiento trabajó igualmente bien con la tensión elevada así como con la tensión inferior. Con la tensión superior la presión en la cámara de trabajo fue más elevada que con la tensión inferior.

Originalmente el alambre estaba recubierto por una cascarilla lisa negra uniforme. Después de la exposición al plasma durante aproximadamente un segundo, el alambre presentó una superficie limpia, blanca mate, y toda la cascarilla se había retirado.

Ejemplo 5

Se recubrió en ambos lados con cinc una banda de acero bajo en carbono como en el Ejemplo 1 en el aparato mostrado en la Figura 2. La banda se mantuvo estacionaria y se trató durante un periodo de 10 segundos. El electrolito fue una solución saturada al 80% de sulfato de cinc en agua y las condiciones de funcionamiento fueron, sustancialmente, las descritas en el Ejemplo 1. El espécimen recubierto resultante se sometió a inspección usando un MEB (Microscopio Electrónico de Barrido) para observar una sección transversal, y realizando un EDAX (análisis dispersivo de energía por rayos X) de la superficie recubierta.

El recubrimiento de cinc era sólido y variaba en espesor de 4 a 7 micrómetros. La superficie recubierta ofrecía un patrón de difracción claro conteniendo únicamente los picos del hierro alfa y del cinc (no se encontraron signos de óxido de cinc). La composición metalúrgica del recubrimiento de cinc (% en masa) se estimó en: 96% Cinc, 4,0% Fe.

Claims (17)

1. Un procedimiento para limpiar una superficie eléctricamente conductora disponiendo la superficie para formar el cátodo de una célula electrolítica en la que el ánodo se mantiene a una tensión de corriente continua superior a 30 V y se establece una descarga de arco eléctrico (electro-plasma) en la superficie de la pieza de trabajo por medio del ajuste adecuado de los parámetros de funcionamiento, caracterizado porque la separación de trabajo entre el ánodo y el cátodo se rellena con un medio eléctricamente conductor consistente en una espuma que comprende una fase de gas/vapor y una fase líquida.

2. Un procedimiento como se reivindica en la reivindicación 1, en el que el medio eléctricamente conductor contiene iones positivos de una o más de las especies requeridas para formar el recubrimiento.

3. Un procedimiento como se reivindica en la reivindicación 2 en el que los iones para formar un recubrimiento sobre la pieza de trabajo se derivan de uno o más ánodos de sacrificio.

4. Un procedimiento como se reivindica en las reivindicaciones 2 ó 3 en el que los iones para formar un recubrimiento sobre la pieza de trabajo se derivan tanto de uno o más ánodos de sacrificio como de la composición original del medio eléctricamente conductor.

5. Un procedimiento como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 4 en el que la espuma comprende al menos un 30% en peso de gas/vapor.

6. Un procedimiento como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 5 en el que la espuma se introduce dentro del espacio de trabajo a través de uno o más agujeros en la superficie de trabajo del
ánodo.

7. Un procedimiento como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 5 en el que la espuma se introduce dentro del espacio de trabajo de forma distinta que a través del ánodo.

8. Un procedimiento como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que la espuma eléctricamente conductora se genera hirviendo un electrolito acuoso eléctricamente conductor.

9. Un procedimiento como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que la espuma se genera por medios mecánicos.

10. Un procedimiento como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que la formación de espuma, las propiedades y la estabilidad se controlan añadiendo al medio eléctricamente conductor uno o más agentes espumantes, tensioactivos, modificadores de la viscosidad u otros aditivos.

11. Un procedimiento como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 8 en el que el ánodo comprende un conjunto con una o más cámaras de caldeo en las que se genera la espuma y en las que se inyecta la espuma dentro del espacio de trabajo a través de uno o más agujeros en la superficie del ánodo.

12. Un procedimiento como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que el espacio de trabajo se cierra para contener la espuma.

13. Un procedimiento como se reivindica en la reivindicación 12 en el que la presión dentro del espacio de trabajo se mantiene por encima de la presión atmosférica.

14. Un aparato para limpiar y/o recubrir una superficie eléctricamente conductora que comprende

(i) una zona de tratamiento sellada con uno o más conjuntos anódicos dispuestos adecuadamente con respecto a la superficie o superficies a tratar, comprendiendo el conjunto o cada conjunto anódico una placa anódica perforada que está en comunicación con una cámara adaptada para recibir un flujo de un electrolito líquido, medios para abastecer el electrolito líquido a dicha cámara y medios para convertir el electrolito líquido recibido en dicha cámara en una espuma;

(ii) medios para mover continuamente una zona de trabajo a tratar a través de una zona de tratamiento entre los conjuntos anódicos;

(iii) medios para abrir y cerrar la zona de tratamiento, y

(iv) medios para controlar el abastecimiento y la retirada de la espuma de la zona de tratamiento; y

en el que la cámara se divide en dos secciones por medio de un divisor de cámara perforado y una pantalla de caldeo que, en uso, provoca la ebullición del electrolito y lo convierte por ello en una espuma.

15. Un aparato como se reivindica en la reivindicación 14, comprendiendo además medios para mover continuamente una pieza de trabajo a tratar por debajo de la placa de ánodo perforada del conjunto anódico.

16. Un aparato como se reivindica en las reivindicaciones 14 ó 15 en el que la zona de tratamiento se sella por medio de juntas flexibles.

17. Un aparato como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones de la 14 a la 16 en el que la zona de tratamiento está provista de al menos una entrada para la inyección de la espuma dentro de la zona de tratamiento y al menos una salida para la retirada de la espuma de la zona de tratamiento.