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PROCESOS
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Foto: www.jcmetalworks.co.uk
Zirconización,™ una alternativa a
los pretratamientos convencionales
*Omar Criollo Rengifo
Gerente Técnico Skillchem Colombia SAS
Capas de
entre 50 y 250
nanómetros.
Un tratamiento de superficies
libre de fosfatos en el que se
deposita óxido de zirconio
sobre el metal base, lo que
le da una máxima protección
anticorrosiva al sustrato y
un anclaje perfecto para
posteriores recubrimientos. La
reacción no requiere consumo
energía y la generación de
lodos es mínima.
Bajo la presión de unas exigencias normativas ambientales cada vez más estrictas, que restringen la descarga
de fosfatos al medio ambiente, las empresas que usan
pretratamientos de superficies metálicas, antes del recubrimiento, están siendo vigiladas con lupa y sancionadas
severamente si infringen la ley.
En este sentido, es imperante que los talleres evalúen la
adopción de tecnologías alternativas a los fosfatos a la
hora de elegir un pretratamiento. El objetivo debe ser
obtener un perfecto anclaje del recubrimiento en el metal base y la máxima protección anticorrosiva, sin comprometer la salud de los trabajadores o la seguridad de
la empresa, además de no dañar el medioambiente.
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Una de estas alternativas es la zirconización, un pretratamiento libre de
fosfatos que confiere una excelente
base contra la corrosión en las superficies metálicas, con ahorros de
costos y ventajas operativas significativas, junto con la disminución del
impacto ambiental.
La zirconización permite depositar
sobre una pieza metálica, una delgada pero muy densa capa protectora de óxido de zirconio, combinado
con ciertos compuestos ligantes. El
espesor de esta capa oscila entre 50
y 250 nanómetros, suficiente para
aportar propiedades anticorrosivas
al sistema de recubrimiento y para
promover la adherencia de las capas
de recubrimientos finales (pinturas,
barnices, etc.).
Este pretratamiento puede utilizarse
cuando el aluminio o el hierro estén presentes en la superficie de la
pieza. Esto incluye materiales como
hierro colado (cast iron), acero laminado en frio (CRS), acero laminado
en caliente (HRS), acero galvanizado
(galvanized steel), acero aluminizado (aluminized steel), aleaciones de
aluminio zinc (aluzinc) y aluminio.
Cuestión de método
El proceso de zirconización consta
de cuatros (4) etapas básicas: desengrase, enjuague inicial, zirconizado y
enjuague final. Dependiendo de las
características del sustrato a tratar;
del tipo de aceite o grasa que traiga el material a recubrir; del tipo de
recubrimiento final que se aplicará
sobre el zirconizado y de las características de calidad que se requieran,
se pueden añadir o quitar etapas de
enjuague o incluso agregar una etapa final de sellado.
La etapa de desengrase tiene como
fin retirar de la superficie a tratar,
impurezas como hollín, polvo, limaduras de metal, así como las grasas
o aceites que habitualmente se aplican sobre las piezas metálicas para
evitar la corrosión durante el almacenamiento y manipulación. Generalmente, se utilizan desengrasantes
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El zirconio
Foto: upload.wikimedia.org
El zirconio o circonio es un metal de color
plateado brillante, muy resistente a la corrosión
y uno de los 20 elementos más abundantes en la
corteza terrestre. En la naturaleza se encuentra
en más de 30 formas minerales, de las cuales
la piedra preciosa denominada zircón es la más
conocida. Se ubica en el grupo IVB de la tabla
periódica junto con el titanio. El metal puro se
utiliza en la construcción de reactores nucleares y como revestimiento de motores a reacción, así como para obtener mejores propiedades mecánicas en diferentes aleaciones.
Los compuestos de zirconio se utilizan ampliamente en la fabricación de cerámicas, materiales refractarios, en fundición, en la fabricación
de vidrios de altas especificaciones y en diversos productos químicos especialmente cuando
se requieren agentes anticorrosivos. También
en medicina y odontología se utiliza el zirconio
y algunos de sus compuestos.
La capacidad de resistir a la corrosión que tiene
el zirconio puro se explica en parte porque es
un metal de transición, por lo cual tiene la característica de ser estable por sí mismo sin necesidad de una reacción con otro elemento.
Además, en la superficie del zirconio se forma
una finísima capa de óxido autoprotector (ZrO2)
que es químicamente muy resistente, pues no
le afectan las bases fuertes ni lo ácidos, con excepción del ácido fluorhídrico, con el cual forma
compuestos muy estables. Estas características de resistencia a la corrosión y estabilidad
química son las que hacen a los compuestos
del zirconio ideales para su uso en protección
de metales.
solubles en agua para esta etapa,
cuya naturaleza, concentración y
temperatura dependerán de las características de la contaminación
que traigan las partes a recubrir.
En el primer enjuague se retira el exceso de solución desengrasante que
tenga la superficie, con el fin de dejarla lo más limpia posible y facilitar
las reacciones químicas propias de
la siguiente etapa. Generalmente,
esta etapa se realiza a temperatura
ambiente. Según la naturaleza de la
contaminación que presente el metal, de la geometría de las piezas a
recubrir y de la calidad del agua disponible, es posible que se requiera
más de una etapa de enjuague antes
del zirconizado.
En la etapa de zirconizado la superficie metálica entra en contacto con
una solución acuosa, especialmente formulada, que reacciona con el
metal presente en la superficie depositando formando una delgada
capa de óxido de zirconio junto con
algunos compuestos ligantes. Todo
esto ocurre a temperatura ambiente
y con tiempos de contacto de solo 60
a 90 segundos.
Habitualmente, después de la etapa
de zirconizado, se realiza un enjuague con agua, pero en caso de que se
requieran prestaciones aún mejores
del recubrimiento final, es posible
complementar el proceso con una
etapa final de sellado, que se realiza también con soluciones acuosas y
a temperatura ambiente. El sellado
aumenta la adherencia entre capas,
mejorando la protección contra la
corrosión del sistema completo.
Todas estas etapas se pueden realizar por inmersión de las piezas en
tanques que contengan las soluciones de tratamiento, o en túneles de
aspersión provistos de sistemas de
transporte que permitan que las piezas ingresen a las diferentes etapas
de tratamiento de forma automática.
Las empresas de metalmecánica
que actualmente empleen procesos con fosfato de hierro o fosfato
de zinc pueden pasar a utilizar la
zirconización.
Esto incluye fabricantes de línea
blanca, carpintería y muebles metálicos para colegios, casas y hospitales, estructuras metálicas de almacenamiento, de decoración, tableros
eléctricos, cerraduras, artículos metálicos para oficina, muebles y artefactos de exhibición, autopartistas y
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habitualmente dejan muchos vacíos o espacios sin recubrir o que requieren de tratamientos con afinadores para
poder conseguir un cubrimiento similar al zirconizado.
En resumen, esta técnica consigue un excelente desempeño en calidad, equivalente al del mejor fosfato de
hierro (500 horas de cámara salina) e incluso iguales o
superiores a los de un fosfato tricaticónico (1200 a 2000
horas de cámara salina) dependiendo del sello que se
aplique al final del proceso.
• Ahorro en costo de energía y operación: la etapa de
conversión de superficie ocurre a temperatura ambiente, a diferencia de los fosfatos que requieren temperaturas entre 30 y 60°C. Esto hace posible reducir o incluso
eliminar el uso de los sistemas de calentamiento en esta
etapa, ahorrar energía, reducir las emisiones de gases de
combustión y disminuir los costos de operación.
• Reducción del mantenimiento de tanques y sistemas
de tratamiento: los procesos de fosfatado con hierro o
zinc son bien conocidos por generar gran cantidad de
lodos, que se incrustan en las paredes de los tanques, en
fabricantes de autos, luminarias, maquinaria industrial y
maquinaria pesada.
No obstante, antes de tomar la decisión de pasar de fosfato de hierro o zinc a la zirconización, es recomendable realizar pruebas para determinar las condiciones del
proceso específicas en planta, y elaborar un balance costo-beneficio. En todo caso, si la industria está en proceso
de cambiar los equipos de pretratamiento existentes o
instalar líneas nuevas, es altamente recomendable que
considere seriamente hacer el cambio a zirconización.
¿Fosfatos metálicos o zirconio?
Los procesos de tratamiento de superficies que utilizan compuestos
de fosfato, son tal vez los más extendidos en la industria metalmecánica, gracias a que llevan muchos años en el mercado. Surgieron en su
mayoría a mediados del siglo XIX y comienzos del siglo XX, atendiendo los requerimientos de la gran diversidad de industrias que vieron la
luz durante la llamada Segunda Revolución Industrial.
La zirconización presenta diversas ventajas ambientales
y de productividad frente a los fosfatos de hierro o zinc,
entre otras:
Estas tecnologías fueron evolucionando para dar respuesta a las cada
vez más exigentes necesidades de calidad y productividad de las
líneas de producción, por lo cual la industria acogió además de los
fosfatos de hierro, los fosfatos de zinc, níquel, manganeso, cadmio,
entre otros, complementados con sellos que utilizaban cromo hexavalente y pinturas que incluían plomo como pigmentos. Todos estos materiales demostraron tener graves consecuencias para la salud de los
trabajadores y fuertes impactos al medio ambiente. • Mayor productividad y calidad: es importante resaltar
que el proceso de zirconizado no necesita de etapas con
afinador de grano, ni es muy exigente en cuanto a la calidad del agua del enjuague final, a diferencia del fosfato de zinc que si requiere de afinadores y cuyo enjuague
final debe hacerse con agua desionizada.
A finales del siglo XX comenzó a tomar mayor fuerza el factor ambiental como agente de evolución de los procesos industriales, creando
las condiciones para el nacimiento de nuevas tecnologías de tratamiento de superficies. En la década de 1990, en Estados Unidos varias
empresas comenzaron a desarrollar pretratamientos de conversión
de superficie utilizando metales de transición (TMC: Transition Metal Coatings).
Las ventajas del zirconizado
Como consecuencia, un proceso de fosfato de zinc de
siete (7) etapas puede reducirse a cinco (5) etapas con
zirconizado, permitiendo minimizar los costos de operación de equipos, así como el espacio utilizado por el
proceso.
Adicionalmente, como el zirconizado forma rápidamente una capa muy delgada pero densa sobre el sustrato, la superficie queda cubierta de forma pareja, sin
dejar “huecos” o áreas sin proteger. Esta es una gran
ventaja sobre los recubrimientos a base de fosfato, que
Una de estas nuevas tecnologías es la zirconización, que como su
nombre lo indica, está soportado en la química del zirconio, un metal
de transición muy conocido y utilizado en diversas ramas de la medicina por ser biocompatible. Las primeras generaciones de productos
para zirconización llegaron a la industria metalmecánica a comienzos
del siglo XXI, expandiéndose y consolidándose rápidamente hasta
convertirse una excelente alternativa para sustituir al fosfato de hierro.
Actualmente la zirconización compite en calidad con el fosfato de zinc
y es posible apoyarse en diversos sellos (libres de cromo) para incluso
competir con fosfatos bicatiónicos o tricatiónicos.
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• Menores costos en el tratamiento de vertimientos: como
las materias primas de los productos utilizados en zirconización son libres de fosfatos y de metales pesados,
los vertimientos de aguas residuales procedentes de las
diferentes etapas generan menos impactos sobre los
cuerpos de agua, comparados con los vertimientos de
procesos de fosfatado. Esto permite reducir el costo del
tratamiento de los vertimientos.
Foto: www.aciw.net/
Como el proceso de zirconización no genera este tipo
de lodos, las empresas que pasan a utilizar este proceso
de pretratamiento libre de fosfatos, efectivamente están reduciendo la cantidad global de residuos peligrosos
generados, realizando una modificación de su proceso
de producción con beneficios ambientales.
El zirconizado forma rápidamente una capa muy delgada
pero densa sobre el sustrato, la superficie queda cubierta
de forma pareja, sin dejar “huecos” o áreas sin proteger.
la superficie de los ductos de calentamiento, taponan
las tuberías y boquillas (en procesos de aspersión) y se
incrustan las unidades de bombeo.
Todo esto hace necesario realizar costosas y extenuantes
labores de mantenimiento, reparación e incluso cambio
de los equipos asociados al pretratamiento de superficies. En el mejor de los casos, la mitad del fosfato cargado como materia prima se deposita sobre las partes a
producir. El resto se convierte en lodos e incrustaciones
que una vez retiradas de los equipos, deben manejarse
además como residuos peligrosos.
El zirconizado en cambio no genera lodos que se incrusten o taponen las superficies, sin embargo, si genera
algunas partículas color naranja que pueden manejarse
mediante sedimentación y retiro periódico de los tanques
o mediante filtración con filtros bolsa. Estas partículas son
básicamente óxido de hierro, así que no debería ser necesario realizar ningún manejo especial de los residuos.
En Colombia el Decreto 4741 de 2005, del Ministerio de
Ambiente, reglamentó la Gestión Integral de Residuos o
Desechos Peligrosos, que estableció la obligación de las
empresas de elaborar planes de Gestión Integral de Residuos que definan las condiciones adecuadas de gestión
para la prevención, minimización, acondicionamiento,
almacenamiento, transporte, tratamiento y disposición
final de estos residuos.
En cuanto a los vertimientos, la resolución 631 de 2015
del Ministerio de Ambiente estableció a nivel nacional el
control de las sustancias contaminantes que llegan a los
cuerpos de agua vertidas por 73 actividades productivas
presentes en ocho sectores económicos del país.
En el artículo 13 están incluidas las empresas que realicen “Tratamiento y Revestimiento de Metales”, fijando
límites de vertimiento para metales como zinc, níquel,
hierro y diversos parámetros más. Vale la pena destacar
que no se incluyen límites para zirconio, ni en el artículo
FOSFATO DE HIERRO
Esto permite reducir el consumo de materias primas, facilitar las labores de mantenimiento y aseo, reducir la
cantidad de residuos generados y facilita su manejo.
Características comparativas de pretratamiento de
superficies
Zirconización
Fosfato de
Hierro
Estructura
Amorfo
Amorfo
Espesor típico
50 - 250 nm
~ 250 nm
1.000 - 5.000 nm
Densidad
típica
50 - 150 mg/m2
300 - 700 mg/m2
2.000 – 3.000 mg/
m2
5 - 15 mg/pie2
25 - 65 mg/pie2
180 - 300 mg/pie2
ZIRCONIZACIÓN
Fosfato de Zinc
Cristalino
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• Mejor relación costo-beneficio: finalmente hay que hablar de la inversión, pues, gracias a las ventajas ambientales y de productividad que ofrece la zirconización, se
obtiene una mejor relación costo-beneficio que el fosfatado, por lo cual las empresas que implementan esta tecnología logran ahorros globales entre el 10% y el 40%.
Autor
*
mencionado ni en ninguna parte de la resolución. En este
contexto, como el proceso de zirconización no incluye
hierro, níquel o zinc en las materias primas, las empresas
que pasan a utilizar este pretratamiento, efectivamente
están reduciendo el vertimiento de estas sustancias a los
cuerpos de agua y al no estar el fósforo presente en el
vertimiento, evitan contribuir con los problemas de eutrificación de los cuerpos de agua que reciben finalmente
las aguas vertidas por toda la actividad humana.
Omar Criollo Rengifo. Ingeniero Químico de
la Universidad Nacional de Colombia, con experiencia de 19 años en tratamiento de superficies en el área de producción de empresas
del sector automotor. Especialista en Gestión
Ambiental, con estudios en Japón sobre Administración Ambiental y amplia experiencia
en el desarrollo de mejoras sostenibles a los
procesos productivos de la industria.
Actualmente se desempeña como Gerente
Técnico de una de las compañías de mayor
crecimiento del sector, que representa una
marca líder a nivel mundial en Tratamiento de Superficies. [email protected] - Móvil: (57) 3212413551
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