Análisis en línea de cobre, estaño y zinc en baños de bronce blanco mediante XRF

El recubrimiento galvánico de bronce blanco es un proceso de galvanoplastia decorativo y funcional que deposita una capa de bronce blanco (una aleación de cobre (Cu), estaño (Sn) y zinc (Zn)) sobre un metal base. El bronce blanco se utiliza a menudo debido a su conductividad eléctrica y resistencia a la corrosión y al desgaste.1].

Las técnicas precisas de análisis químico son cruciales para garantizar la calidad del baño de bronce blanco, ya que brindan información valiosa sobre las concentraciones de varios productos químicos que influyen en el proceso de enchapado. Tradicionalmente, estos análisis se realizaban en entornos de laboratorio, a menudo utilizando equipos y reactivos especializados. Sin embargo, este enfoque presenta varias desventajas, incluidos largos tiempos de respuesta, costos financieros sustanciales y la necesidad de instalaciones de laboratorio especializadas. Estas limitaciones retrasan la capacidad de obtener datos en tiempo real, lo cual es esencial para una dosificación química precisa del baño de galvanoplastia.

Metrohm ofrece el analizador de procesos XRF 2060 para abordar estos desafíos. Este analizador de procesos utiliza fluorescencia de rayos X (XRF) para permitir el monitoreo continuo de las concentraciones químicas dentro del baño de galvanoplastia, proporcionando datos en tiempo real que guían la dosificación precisa de productos químicos.

El recubrimiento de un solo metal es una solución viable para el acabado de superficies. Sin embargo, existe un límite en cuanto a cuánto puede mejorar las propiedades de una superficie. Por el contrario, la co-deposición de dos o más metales como recubrimiento de aleación permite mejoras adaptadas a aplicaciones específicas [2].

El bronce blanco es un tipo de aleación trimetálica, lo que significa que consta de tres elementos metálicos diferentes [3]. Específicamente, es una aleación de Cu, Sn y Zn (también conocida como CTZ), cuidadosamente diseñada para proporcionar una resistencia superior a la corrosión y un acabado brillante y uniforme.

El baño de bronce blanco utilizado en la galvanoplastia mejora considerablemente las propiedades químicas y físicas de diversos productos metálicos. Cuando se aplica con cuidado a las superficies, la tri-aleación mejora la resistencia a la corrosión al tiempo que proporciona un acabado blanco plateado visualmente atractivo.1]. Este procedimiento se utiliza comúnmente en la fabricación de joyas y artículos decorativos, ya que aumenta la durabilidad y el atractivo de los productos metálicos.1].

Uno de los principales desafíos para mantener un baño de bronce blanco es garantizar la proporción correcta de Sn, Cu y Zn [1]. Un desequilibrio en la concentración de estos elementos puede dar lugar a depósitos no uniformes, lo que afecta a las propiedades estéticas y funcionales de la capa revestida.

Los compuestos de cianuro suelen estar presentes en los baños de bronceado blanco, principalmente debido a su capacidad para formar complejos estables con el cobre [4]. Garantizan una deposición eficiente del metal y un recubrimiento liso y uniforme. Este complejo de cianuro y cobre ayuda a controlar la velocidad de recubrimiento y a mejorar la calidad general de la capa terminada.

Pequeñas fluctuaciones en las concentraciones de metales pueden afectar significativamente el rendimiento del baño. Esto da lugar a problemas como depósitos opacos, revestimientos frágiles o mala adhesión. Estas fluctuaciones pueden surgir de variaciones en la reposición del baño, tasas de consumo o contaminación. Esto hace que la monitorización continua sea esencial para un funcionamiento estable.

Los métodos de monitoreo tradicionales a menudo resultan en tiempos de inactividad del proceso debido al tiempo requerido para el muestreo manual, la preparación química y el análisis. La naturaleza laboriosa de estos métodos también aumenta el potencial de error humano, lo que a su vez reduce la confiabilidad de los datos recopilados.

Además, el uso de cianuro plantea importantes preocupaciones en cuanto a su manipulación y seguridad, ya que es altamente tóxico y requiere protocolos de seguridad estrictos para evitar la exposición accidental o la contaminación ambiental.5]. Los operadores deben tener mucho cuidado al almacenar, manipular y desechar soluciones de cianuro, lo que agrega una capa adicional de complejidad al mantenimiento del baño.

Como resultado, existe una creciente necesidad de monitoreo en línea, que permite realizar ajustes en tiempo real a la composición del baño. Esto evita posibles interrupciones y ayuda a mantener condiciones óptimas de enchapado sin los retrasos asociados con los métodos de pruebas analíticas fuera de línea.

El analizador de procesos XRF 2060 de Metrohm Process Analytics se puede implementar en puntos clave del proceso de recubrimiento para garantizar una composición del baño y una calidad del recubrimiento óptimas. Su uso es beneficioso después de los pasos de pretratamiento y activación ácida.Figura 1) donde la composición del baño debe controlarse con precisión para evitar variaciones no deseadas en la capa de recubrimiento.

Además, el monitoreo en tiempo real durante el proceso de galvanoplastia ayuda a mantener las proporciones correctas de Sn, Cu y Zn. De esta manera se evitan defectos en el recubrimiento, como depósitos opacos o mala adherencia. Al integrar el analizador de procesos XRF 2060 en el flujo de trabajo, los operadores pueden realizar ajustes inmediatos para reducir el desperdicio y garantizar resultados de enchapado consistentes y de alta calidad.

Las muestras de baño de bronce blanco se midieron utilizando un Espectrómetro XRF con fuente de ánodo de tungsteno. Este sistema garantiza una alta precisión para la detección de Sn, Cu y Zn mediante el uso de una excitación de rayos X característica. Figura 2 muestra los espectros generados con picos distintos correspondientes a Sn, Cu y Zn en la solución del baño de galvanoplastia.

Mientras que el Analizador de procesos XRF 2060 (Figura 3) proporciona monitoreo en tiempo real de las concentraciones de metal en soluciones de enchapado, también se pueden incorporar técnicas complementarias como la titulación para monitorear parámetros de baño críticos adicionales, como el pH y los niveles de cianuro. Esta combinación de metodologías no solo mejora el control del proceso sino que también proporciona una solución integral única en el mercado, permitiendo a los operadores garantizar tanto la calidad del enchapado como la seguridad del operador con un único enfoque analítico integrado. 

• Control mejorado del baño − Los datos en tiempo real permiten una dosificación química precisa, optimizando las condiciones del baño y garantizando una calidad de recubrimiento constante.
• Residuos minimizados − Una dosificación química precisa reduce el riesgo de sobredosis o subdosis, lo que minimiza el desperdicio de productos químicos y, por tanto, el impacto ambiental.
• Mejora de la eficiencia del proceso − El monitoreo en tiempo real permite realizar ajustes proactivos a las condiciones del baño, lo que evita defectos de enchapado y tiempos de inactividad del proceso.
• Costos laborales reducidos − se elimina la necesidad de realizar análisis de laboratorio frecuentes, lo que reduce la dependencia de los técnicos de laboratorio.
  

1. White Bronze, Copper-Tin-Zinc Tri-metal: Expanding Applications and New Developments in a Changing Landscape | Products Finishing. https://www.pfonline.com/articles/white-bronze-copper-tin-zinc-tri-metal-expanding-applications-and-new-developments-in-a-changing-landscape (accessed 2025-02-11).
2. Replacing Nickel with Tri-Metal in Electronics Plating. https://www.pfonline.com/articles/replacing-nickel-with-tri-metal-in-electronics-plating (accessed 2025-02-12).
3. White Bronze Decorative Electroplating Chemistry | Technic Inc. https://www.technic.com/applications/decorative/plating-chemistry/white-bronze-decorative-electroplating-chemistry (accessed 2025-02-12).
4. Zanella, C.; Xing, S.; Deflorian, F. Effect of Electrodeposition Parameters on Chemical and Morphological Characteristics of Cu–Sn Coatings from a Methanesulfonic Acid Electrolyte. Surface and Coatings Technology 2013, 236, 394–399. DOI:10.1016/j.surfcoat.2013.10.020
5. Quality, N. R. C. (US) S. on G. for M. F. D.-W. Guidelines for Cyanide. In Guidelines for Chemical Warfare Agents in Military Field Drinking Water; National Academies Press (US), 1995.