ELECTRODEPOSICIÓN DE HIERROBAÑOS DE CLORUROPor Charles Kasper

ABSTRACTOEl hierro dúctil puede ser depositado a partir de soluciones de cloruro ferroso a densidades de corriente de hasta 30 amp / dm2 (280 ampjft2), que es varias veces la tasa habitual del depósito de hierro. La temperatura y la acidez de los baños deben ser controlados dentro de límites estrechos.

PáginaI. Introduccion __ ___ __ _____________________________________________ 535II. Revisión de la literatura ___ ________ ____ __ __ __ ___ ______ __________ __ 536III. Ámbito de investigación ____ ____ ____________________________. _______ 536IV. Experimentos exploratorios _ _ _ _ _ 5361. Condiciones empleado __ ____ ________________________________ 5362. Resultados __ ______________ ____________________ ______________ 537V. Cuantitativa ensayos __________________________. . _________________ _ 5381. Condiciones empleado __ ___________________________________ _ 5382. Resultados __ ___ ___ __ ___ __ _______________________ __________ __ 539VI. Conclusiones ______ __ ____________ _________________________________ 541

I. INTRODUCCIÓNMuchas de las placas utilizadas para la impresión de moneda y de valores en laOficina de Grabado e Impresión consisten principalmente en electrodepósitos de hierro. Bajo las condiciones utilizan no se requiere un total de alrededor de 96 horas para depositar el espesor deseado de níquel (0,4 mm o 0.015 in.) y de hierro (5 mm o 0,20 pulg.). Normalmente, este periodo no es objetable, pero cuando están a emitir nuevos diseños, se necesita un período considerable para producir un número suficiente de placas (por lo menos cuatro) para iniciar las operaciones de impresión. A estos efectos sería deseable incrementar en gran medida la velocidad de deposición, preferiblemente a por lo menos cuatro veces la tasa actual. Por lo tanto, métodos para la rápida deposición de níquel y hierro fueron investigados.Los resultados obtenidos con níquel mostraron depósitos relativamente blandos lisos y dúctiles pueden ser producidos a partir de soluciones concentradas de sulfato de níquel (4 N), a un pH bajo (pH = l), una temperatura alta (100ºC), y densidades de corriente de hasta 30 amperios / dm2 (280 amp / m2), que es aproximadamente 15 veces la densidad de corriente empleada regularmente en este proceso. Depósitos correspondiente a partir de soluciones de cloruro son más duro y más frágil.

El presente documento describe los experimentos sobre la deposición de hierro.A medida que una rápida deposición de baños de níquel y hierro requiere especialequipo y un control más crítico, estos procesos no son utilizados en la Oficina de Grabado e Impresión, pero pueden ser aplicados si es necesario.

II. REPASO DE LITERATURALas publicaciones anteriores sobre depósito de hierro fueron revisados por WEHughes, y las aplicaciones más recientes fueron discutidos por Thomas yBlum. Una discusión muy completa y bibliográfica del depósito de hierro,con especial referencia a la preparación de hierro puro, se encuentra en un reciente monografía. Como la mayoría de estos estudios incluyeron deposición a densidades de corriente relativamente bajos, no tienen relación directa con el presente problema.

III. ALCANCE DE LA INVESTIGACIÓNEl propósito de esta investigación fue definir las condiciones paradepositar hierro liso, suave, dúctil a densidades de corriente de al menos10 amp / dm2 (93 amp / ft2) y preferiblemente superior, en contraste con ella práctica actual de alrededor de 6 amp / dm2 (56 amp /ft2). Esto se logrópor primera realización de un gran número de experimentos exploratorios,los depósitos de los que se probaron manualmente por flexión.Se emplearon entonces las condiciones que se encuentran para obtener propiedades adecuadas para la preparación de los especímenes más grandes, de los cuales la dureza, resistencia a la tracción y ductilidad se midieron, las pruebas cuantitativas se limitan a los depósitos que no se agrietan durante deposición o durante la retirada desde el acero subyacente.

Los principales factores investigados fueron la composición, la concentracióny el pH de los baños, la temperatura y densidad de corriente,y el tipo de diafragma. Los experimentos se limitan a baños de cloruro, porque tienen mejores conductividades que los baños de sulfato, y porque las pruebas preliminares mostraron que (a diferencia deníquel) hierro dúctil puede ser depositado rápidamente a partir de soluciones de cloruro.

IV. Experimentos exploratorios1. CONDICIONES EMPLEADOSSe encontró necesario llevar a cabo incluso los experimentos exploratoriosen una escala relativamente grande. Deposición de hierro es un proceso en el quees difícil de reproducir en una escala muy pequeña de los resultados obtenidosen buques de mayor tamaño. Por ejemplo, no es posible duplicar en 1litro frascos del tipo de depósitos producidos regularmente en la Oficina de Grabado e Impresión. Esta diferencia puede deberse en parte por la mayor facilidad de la oxidación de soluciones ferrosos en los pequeños vasos, y en parte por la diferencia en la circulación cuando los diafragmas están utilizado en las pequeñas y en las grandes embarcaciones.La mayoría de los experimentos se realizaron en un molde de hierro rectangulartanque de retención de unos 10 litros, que se alineaban con esmalte a prueba de ácidos.El tanque esmaltado se colocó en un tanque de agua más grande de metal que contiene,que a su vez se calentó haciendo pasar corriente a través de cables de resistenciaque rodea el tanque externo. El nivel de agua en este último se mantuvocon un sifón. Cuando sea necesario, por ejemplo a muy altadensidades de corriente, el agua fría se introdujo en el baño de agua.Era por lo tanto posible controlar la temperatura en el baño de hierrodentro de unos límites de 60 a 108 ºC (140 a 2.260 F) para cualquier deseada período. Como se acercó al punto de ebullición de la solución de la la temperatura puede mantenerse más casi constante.

Los ánodos eran de hierro Armco, rodeado de diafragmas de amiantocon el fin de evitar que las partículas pasen en suspensión y causandodepósitos ásperos.Los diafragmas de peso ligero, tela suelta de azul o blancoasbesto se utilizan con éxito en los baños de hierro regulares a corrientedensidades de hasta 6 amp / dm2 (56 amp / W). Esta tela fue, sin embargo,no es adecuado para su uso con más soluciones de ácido y temperaturas más altasy densidades de corriente. Después de numerosos ensayos se encontró que lamejor material para las últimas condiciones es densa tela hecha de azulAsbesto Africana (crocidolita). Satisfactorio paño importado de estamaterial tenía 36 hilos por pulgada en la dirección A, y 12 hilos endirección B, con hilos de 2 capas en cada dirección, un tejido 4-arnés,2/2 de la tela cruzada, y un peso de 65 oz / yd2 • Cuando sea necesario, esto se cosiócon hilo de asbesto similar.Los cátodos son placas de acero plano que había sido chapadas de níquel-adherente, se frota con grafito, y se sembraron con una fina (0,0025 mmo 0.001 in.) capa separable de níquel. Los depósitos de la preliminarpruebas fueron aproximadamente 0,25 mm (0,01 pulg.) de espesor.Especial cuidado se requiere para mantener las condiciones especificadas,especialmente durante el comienzo de una carrera, cuando la temperatura yacidez tienden a cambiar rápidamente. La técnica fue aprobado definitivamentepara calentar el baño externamente a unos 90 ºC, introducir un "ficticio"cátodo del mismo tamaño que el cátodo regular en la solución,que se hizo un poco más ácido de lo que se desee en la recta final,y pasar la corriente especificada hasta que la temperatura deseada yse alcanzaron acidez. (Si es necesario, los ajustes de la calefacciónactual se hicieron durante este "romper en" proceso.) La corrientea continuación, se incrementó durante unos minutos para elevar la temperatura ligeramente.Por el momento se retiró el cátodo maniquí y el cátodo regularesinsertado, las condiciones fueron los deseados, que luego podría sermantenido durante la carrera.La acidez se mantuvo constante mediante adiciones adecuadas de clorhídricoácido a intervalos de aproximadamente 20 minutos. En el preliminarexperimentos de agua para reemplazar esa perdida por evaporación se añadióentre las carreras.El cloruro ferroso y otros productos químicos eran de calidades comercialesque resultaron ser casi puro. La pequeña cantidad de férricocloruro siempre presente en la sal ferrosa se redujo mediante la adición deácido clorhídrico y tiras introducción de hierro puro. Esto también eliminacobre, plomo, y la mayoría de otros metales pesados que podrían serpresente. Para evitar la introducción de cobre en el baño de cobrebarras colectoras estaban fuertemente niquelado.2. RESULTADOSUn gran número de experimentos exploratorios llevó a la siguienteconclusiones con respecto a las condiciones favorables para la producción de dúctilhierro a altas densidades de corriente:1. La solución debe ser de color verde claro en color, i. e,. casi libre de

sales férricas. Sales férricas reducen la eficiencia del cátodo y tienden acausar depósitos frágiles.2. Una alta concentración de cloruro ferroso es deseable, al menos 4 Ny preferiblemente 5 N. Con concentraciones más bajas depósitos más frágilesson obtenidas. bastante cerca límites. Ácido libre insuficiente conduce a los depósitos frágiles, mientras que el exceso de acidez disminuye la eficiencia del cátodo.4. metal dúctil puede ser producido a altas eficiencias. El maximoobservado fue aproximadamente 85 por ciento. gas considerable se desarrolló,y se requiere ventilación adecuada para proteger a los operadores.5. cloruro cálcico no tiene efecto apreciable sobre los depósitos.6. La adición de cloruro de potasio conduce a depósitos frágiles.7. La temperatura es el factor individual más importante, como las variacionesde 5 ° 0 (9 ° F) puede producir un marcado cambio en las propiedades. Enen general, bajo condiciones dadas, una disminución en la temperatura disminuyela ductilidad. Por ejemplo, en una solución de cloruro ferroso 4 N con0,1 N gratuitas de Hoi, una temperatura de al menos 100 ° O. (212 ° F) se requierepara los depósitos dúctiles a 20 amp / dm2 (186 amp / m2) y una temperaturade 105 ° 0 (221 ° F) a 30 amp / dm2 (280 amp / m2).

V. CUANTITATIVA PRUEBAS1. CONDICIONES EMPLEADOSPara la tracción y dureza pruebas fiables, depósitos suaves al menos20 em (8 pulg.) De largo y con un espesor uniforme de al menos 0,75 mm(0,03 pulg.) Son obligatorios. Éstos fueron hechos en los depósitos esmaltadosanteriormente descrito, pero con precauciones adicionales.Para obtener una distribución uniforme de la corriente, se empleaban escudos.Cada escudo consistía en una placa de vidrio en el que se cortó un rectangularabertura que era ligeramente más pequeño que el cátodo. Cuando este escudose colocó paralelo al ya poca distancia del cátodo impidióuna densidad de corriente excesiva en los bordes del cátodo.Densidades de corriente locales de alta son objetables, no sólo porqueproducir un espesor no uniforme de depósito, pero también porque los "árboles"que crecen en pueden llegar a ser independiente y para dar lugar a los bordesa pequeñas partículas de metal que causan rugosidad sobre el resto de lasuperficie.Del mismo modo, era necesario para apoyar a los diafragmas de amiantoalrededor de los ánodos en el fin de mantenerlos paralelos a los electrodosy por lo tanto producir la distribución de corriente uniforme. Tiras de madera de ciprésse utilizaron para este propósito. La madera fue atacado poco y algunosla materia orgánica puede haber entrado en la solución. Si es así, podría serespera que produzca depósitos frágiles. En realidad, sin embargo, no hay tales efectosdel ciprés se pudo detectar en las pruebas cualitativas. El cuantitativaLos resultados son comparables, a pesar de que sus valores absolutos puedenhan sido poco afectados.Para producir depósitos de espesor prescrito requerido el del 3 al8 horas de deposición. Para mantener las condiciones uniformes sobre talesperíodos de control automático se aplicó. El ácido se añadió a travésun capilar calibrado, y la tasa de flujo se controlan ajustandola altura de la botella de depósito. Para evitar paro del capilar,

el ácido se filtró a través de un sellado en alundum dedal.Se añadió agua continuamente 'por medio de un frasco cerrado herméticamente con unadispositivo de nivel constante y un tubo capilar. Era necesario mantenerla corriente constante mediante el ajuste manual, debido a una ligeralas fluctuaciones en la tensión del generador.

Al tomar las precauciones anteriores, se encontró posible en la mayoríacasos para producir depósitos adecuados para el ensayo. Sin embargo, algunos de losdepósitos tenido algunos momentos difíciles, y otros tenían algunos pozos. lostendencia a que este último podría reducirse en acercarse a la especificadatemperatura desde arriba. Sólo aquellos especímenes que eran prácticamentelibre de cualquiera de proyecciones o pozos podría usarse en ensayos de tracción, perolas mediciones de dureza se podrían hacer en casi todos los especímenes,en libres de defectos superficiales puntos. Además, como cada una de lasvalores registrados para la dureza generalmente representa el promedio de 10 omás mediciones, los valores son más importantes que la tracciónfuerza.

2. RESULTADOSEn general, los ensayos cuantitativos confirman las observaciones cualitativasregistrada en la discusión de los experimentos exploratorios. losconclusiones principales se ilustran en las tablas 1,2 y 3. Cada valorpara resistencia a la tracción y el alargamiento representa el promedio de dos omás mediciones de las muestras seleccionadas. El acuerdo decarreras duplicadas en ensayos de tracción era muy bueno, pero el alargamientovalores fueron más errático, excepto en el caso de excepcional perfectay las muestras dúctiles. El número Brinell se determinó con unCarga de 15 kg, Xs pulgadas (1,55 mm) pelota, y un periodo de 30 segundos.A menos que se indique lo contrario, los baños contenían cloruro simplemente ferrososaproximadamente 5 N, es decir, 497 g / litro o 66 oz / gal de FeOI2.4H20;y ácido clorhídrico en la concentración señalada por la "acidez".(0 0,1 IV IOH es equivalente a 3,6 g / litro o 0,5 oz / gal de IOH; o 10ml / litro o 0,13 fl oz / gal de ácido clorhídrico concentrado, sp gr1,18). Cuando se añadió ácido bórico (por ejemplo, 0,5}, fl, igual a30 gjliter o 4 oll / gal de HaBOa), la acidez se expresa todavía enfermatérminos del ácido clorhídrico.

Los resultados de la tabla 1 muestran claramente que cambios relativamente pequeños entemperatura de tener grandes efectos sobre las propiedades de la deposits_En general, un aumento de la temperatura pr.oduces más suave y más dúctildepósitos.

De la tabla 2 se puede observar que un aumento en la acidez disminuye ladureza y resistencia a la tracción y aumenta la ductilidad. Prácticamente,De la tabla 2 se puede observar que un aumento en la acidez disminuye laes difícil hacer depósitos satisfactorios en determinadas condicionesen un amplio rango de acidez. Si este último es muy baja, los depósitosgrieta durante la deposición, y si es demasiado alta, la eficiencia caemuy rápidamente, pero no se observa ninguna fragilización de los depósitos. Enen general, similar, si no idéntico, las propiedades se obtienen variandola acidez en la misma dirección y la proporción en que la densidad de corriente.Esto se ilustra en la Tabla 3.

Por estas razones, es difícil realizar depósitos satisfactorios a unatemperatura fija y la acidez en un amplio intervalo de densidad de corriente.En general, se encontró que un incremento en la densidad de corriente producidadepósitos dúctiles más duras y menos.Los resultados cuantitativos no mostraron efectos marcados de uno u otroÁcido bórico (0,5 M, es decir, 30 g / litro o 4 oz / gal de HgBOg) o de calciocloruro de (1,5 N, es decir, 165 gfliter ó 22 oz / gal de BCCA). En variosexperimentos, los depósitos con ácido bórico fueron aproximadamente 10 Brinellnúmeros más suaves que los que no tienen ácido bórico, pero no hubo coherenteefectos sobre la resistencia a la tracción o la elongación. No definido

efectos se encontraron con el cloruro de calcio.Todos los depósitos producidos en las condiciones prescritas tenían relativamenteestructuras finas, y no hubo diferencias pronunciadas talesComo se han observado con depósitos de níquel duros y blandos. En general,mayor dureza y resistencia a la tracción fueron acompañados por una más finaestructura. Esta relación se ilustra con fotomicrografías de típicasecciones transversales de la figura 1.El hecho de que los depósitos más duros se produjeron en acidez bajoso altas densidades de corriente es consistente con la hipótesis apoyadapor MacNaughtan y sus asociados, 6 que la dureza de níquel o hierrodepósitos es causada por, o asociados con, la inclusión de óxidos omateriales básicos. Esta hipótesis fue confirmada por análisis de dosdepósitos típicos de la fusión en el vacío. Una de las muestras más difíciles(A6) mostró un contenido de oxígeno de 0,015 por ciento, y una dela más suave (AS) un contenido de tan sólo 0,005 por ciento.VI. CONCLUSIONES1. hierro relativamente blando, dúctil puede ser depositado a partir de un baño que contiene 5 NFeOl2 y 0,10 NHOI, a una temperatura de 106 ° 0 (222 ° F)y una densidad de corriente de 20 amperios / dm2 (186 amperios / W).2. En ningún condiciones dadas, los depósitos más blandos son producidos porel aumento de (a) la acidez o (b) la temperatura o por la disminución de (c)la densidad de corriente.3. Las adiciones de ácido bórico o de cloruro de calcio a los baños tienenpoco efecto sobre las propiedades de los depósitos.4. Los depósitos más duros son de grano fino y contienen más oxígenoque los depósitos más suaves.5. La rápida producción de depósitos de hierro denso, dúctil, libre derugosidad o pozos, requiere un control muy cuidadoso de todos los factores, especialmentela acidez y la temperatura, y el uso de diafragmas eficaces,preferentemente de tela azul amianto.

ELECTROFORMADO DE HIERROBAÑO DE CLORURO FERROSO (FeCl2 4H2O)

Composicion:Cloruro ferroso (FeCl2 4H2O) 497gr/litro (5N), a una temperatura de 106 ° 0 (222 ° F) y una densidad de corriente de 20 amperios / dm2 (186 amperios / W).