Autores: Gustavo López Badilla, María Marcela Acosta Gómez, Heriberto Montoya González, Julio César Castillo Moreno, Ana Paulina de la Rocha León, Sergio Alberto Soto Rivera.
RESUMEN
La planeación de la producción en las empresas del ramo electrónico es de gran importancia en la elaboración de sus procesos de manufactura y expansión, donde se contemplan los costos primarios: materia prima, recursos humanos, maquinaria, edificaciones, sistemas de transporte y mobiliario, principalmente. Existen gastos innecesarios por la presencia de la corrosión que ocurre al interior de las empresas del ramo electrónico. En este estudio se realizó una investigación en una empresa de este sector de la ciudad de Mexicali para analizar los costos generados por la presencia de la corrosión.
PALABRAS CLAVE: Análisis de costos, corrosión, electroquímica, factores climáticos, contaminación, microscopía de barrido electrónico, velocidad de corrosión.
INTRODUCCIÓN
Los costos en una empresa pueden incrementarse cuando ocurre el proceso de corrosión. En el estudio que reportamos a continuación, la velocidad de corrosión (VC) indicó el grado de deterioro de las probetas metálicas instaladas en lugares estratégicos de la empresa analizada. La presencia de corrosión contribuyó a la generación de pérdidas económicas y al bajo rendimiento operativo de los equipos electrónicos industriales (López Badilla et al., 2007).
El objetivo principal de este estudio, aun mostrando un nivel bajo de corrosividad en la empresa evaluada, es el de evitar y reducir la presencia del fenómeno electroquímico. Esto origina pérdidas económicas no previstas en el proceso de planeación inicial. La corrosión deteriora los metales más utilizados en la industria como el acero, el carbono, el cobre, el estaño, el níquel y la plata, con los que se experimentó mediante el uso de probetas (López Badilla, 2008).
La generación de corrosión en la industria electrónica de la ciudad de Mexicali, ubicada al noroeste de la República Mexicana, representa pérdidas económicas por la realización de actividades extraordinarias en las plantas industriales de la región (Ballesteros, 2007).
También se considera la presencia de materia prima, subproductos y productos terminados que resultan defectuosos. Estos artículos dañados, considerados como subproductos con actividades de rescate o basura electrónica, son recuperables en sólo 50% y en la mayor parte de las ocasiones el porcentaje de recuperación es menor o nulo.
Existen métodos para evitar la generación de corrosión sencillos y de bajo costo, pero a veces es necesario utilizar la aplicación de métodos no muy viables y costosos para las empresas de Mexicali (Veleva et al., 2008).
La corrosión es un proceso electroquímico originado por variaciones de factores climáticos como la humedad relativa (HR) y la temperatura, con rangos mayores a 80% y 35° C en la época de verano (julio y agosto), y niveles mayores a 80% y menores a 10° C en el periodo de invierno (diciembre y enero). Estos rangos son típicos de la ciudad de Mexicali, originando e incrementando fácil y rápidamente la corrosión en dispositivos electrónicos utilizados en áreas interiores de la industria electrónica (López Badilla et al., 2011).
La investigación que se realizó estaba orientada a evidenciar las principales causas que originan la corrosión electroquímica en interiores de la empresa que está apoyando este estudio. Se realizó un microanálisis con la técnica de Microscopio de Barrido con Electrones (MBE) para determinar los principales agentes químicos causantes de la corrosión y una evaluación económica de los gastos generados por la misma (Fernández, 2003).
DESARROLLO
Corrosión en metales de dispositivos electrónicos
La función básica de una superficie conductora de contactos eléctricos de dispositivos electrónicos, es la de transportar los flujos eléctricos. La conductividad eléctrica de los materiales de contacto se puede reducir en gran medida por la presencia de corrosión. Para este fenómeno se utilizan revestimientos protectores, pero aun así, en ambientes agresivos las superficies metálicas sufren deterioro.
Otro fenómeno que conduce al aumento de la resistencia de contacto es la corrosión de contacto que ocurre en conexiones indebidas, originando cortos circuitos y con ello las fallas eléctricas o incendios por sobrecarga eléctrica. También se presenta la corrosión por fricción, siendo el mecanismo de la degradación del material de la superficie, lo que provoca el aumento de la resistencia de contacto. La corrosión por fricción se produce cuando existe un movimiento relativo entre los contactos eléctricos con las superficies del metal inmóvil.
Por la complejidad de los equipos electrónicos, evitar la corrosión de contacto es muy difícil, principalmente en conexiones eléctricas enchufables. El oro es uno de los materiales utilizados para contactos eléctricos de alto rendimiento debido a su alta resistencia a la corrosión y su comportamiento eléctrico bueno y estable (López G. et al., 2010). Algunos científicos han investigado diferentes formas de minimizar el consumo de oro para contactos eléctricos y mejorar el rendimiento de este metal. Otros materiales usados para la protección contra la corrosión de las superficies conductoras de la electricidad son el estaño, el níquel, la plata y el paladio.
Industria electrónica en México
La industria electrónica en México se desarrolló de modo importante durante la década de 1960 con la fabricación de productos electrónicos como radios, fonógrafos y televisores. Pero en la década de 1970 el desarrollo disminuyó por el incremento de la competencia externa.
En 1986, México se anexó al Acuerdo General sobre Aranceles Aduaneros y Comercio y se realizó una reestructuración de la industria electrónica (López et al., 2011). En 1994, México firmó el Tratado de Libre Comercio (TLCAN) con Canadá y Estados Unidos que favoreció de manera particular la industria electrónica mexicana y la economía nacional. En la década de 1990 se realizaron algunas transformaciones en el sector electrónico derivadas del TLCAN. Con este tratado se instalaron en México compañías mundiales y nacionales que adquirieron gran importancia en la industria electrónica por sus actividades de exportación de productos electrónicos, lo cual generó gran cantidad de empleos (Bueno et al., 2002).
Funcionalidad de los equipos electrónicos
La eficiencia de una operación industrial se basa en la productividad en las plantas industriales del giro electrónico, las características principales y la eficacia de un producto manufacturado que implican su buena apariencia, bajo costo, facilidad de operación y de seguridad (Samuels y Young, 2003). Los dispositivos electrónicos y equipos utilizados en áreas de almacenes, de producción y de transporte están expuestos a los factores ambientales en los interiores de las plantas industriales y son influidos por las condiciones exteriores. Los factores climáticos tales como la HR y la temperatura en combinación con sulfatos afectan el funcionamiento de los sistemas electrónicos y con ello la economía de las empresas (Martin et al., 2001).
Factores que causan la corrosión
Los niveles de humedad relativa y la temperatura más alta de 80% y 35º C son el factor principal de la corrosión, ya que aumenta su VC con base en variaciones de parámetros climáticos, generando una mayor valencia en el estado de los metales activos (López Badilla et al., 2010) dañándolos muy rápido (Anderson et al., 2003).
Este daño ocurrió cuando las películas de óxido formadas en la superficie de los metales mencionados no estaban cubiertas de manera uniforme y sólo en algunas zonas de la superficie de estos materiales. Esto causó la corrosión por picaduras en este periodo de análisis. Los niveles de H2S, SOX y NOX del exterior de las compañías, en algunos periodos del año en Mexicali, sobrepasan los niveles estándar de calidad del aire. Las propiedades eléctricas de un material se presentan en función de la cantidad de humedad y contaminantes presentes en el ambiente interior, debido a que el efecto corrosivo aumenta después de la humedad y el conductor mixto iónico (Moncmanova, 2007).
El análisis con la técnica MBE
Es una técnica importante que se utiliza en la industria electrónica, aunque los equipos de análisis son muy caros, pero es necesaria en sus procesos de fabricación con funciones complejas (AHRAE, 1999). Una vez que se determina el producto químico y la composición de los elementos y compuestos en las muestras se puede observar la distribución espacial de estos, con el fin de conocer los contaminantes de mayor y menor impacto que se hicieron reaccionar con la de metal (Rocak et al., 2005). Así se promueve el proceso de corrosión y se hace una distinción entre los diferentes compuestos para averiguar el posible estado de oxidación de los iones metálicos que participan en los productos de corrosión.
Metodología
Una de las preocupaciones de los dueños de empresas de la industria electrónica y el personal directivo es evitar pérdidas económicas. Esto ocurre cuando se presentan fenómenos no contemplados como la corrosión que deteriora los materiales metálicos de equipos y máquinas industriales. Al presentarse esta situación se originan fallas eléctricas causando un decremento en el rendimiento operativo.
El deterioro de los conectores eléctricos y las conexiones de los materiales mencionados, hasta el primer mes del estudio, muestra un bajo nivel de corrosividad, indicando un leve daño que puede expandirse conforme transcurre el tiempo de evaluación.
Las probetas metálicas se pesaron para obtener la pérdida de masa en una balanza analítica al 0,0001 g de cercana fiabilidad. Para determinar la concentración de sulfato en el interior de las plantas industriales se aplicó la técnica de platos de sulfatación en el interior de la empresa. El procedimiento del estudio contempla lo siguiente:
- Se usaron especímenes metálicos de los metales citados para ser analizados con el método gravimétrico. La pérdida de peso de cada metal evaluado, el primer mes del estudio, se correlacionó con los valores mínimo, máximo y promedio de HR y temperatura ambiental del interior de la empresa analizada con base en los estándares ASTM (ASTM, 2000).
- Se realizó un análisis de simulación en el programa MatLab de la correlación de la VC con los factores climáticos indicados.
- Los metales corroídos se analizaron por la técnica de MBE acoplado a un electrón al dispersar rayos X en el analizador de barrido Philips XL ESEM. Con esta técnica se obtuvo información importante de los agentes químicos contaminantes que reaccionaron en las superficies metálicas. Aún en el primer mes de análisis la morfología de los productos de corrosión mostró datos sin gran efecto en el deterioro de los metales, pero significativa para evaluar el futuro proceso de corrosión. Los productos de corrosión se observaron en un microscopio óptico y por MBE antes de ser limpiadas las probetas metálicas del análisis realizado.
- Se elaboró un análisis económico de las pérdidas financieras por la presencia de corrosión.
Resultados y discusión
El nivel de corrosión presentado por las probetas metálicas en el primer mes del estudio no fue muy significativo pero indicó que puede disminuir el rendimiento operativo de los equipos y maquinas industriales con dispositivos electrónicos. De no tomarse en cuenta esta situación disminuirán las ganancias de una empresa del ramo electrónico o de otro tipo que utilice estos sistemas. Esto puede ocurrir con pérdidas de clientes por la venta de productos electrónicos defectuosos, el incumplimiento de contratos con clientes y el mayor gasto de reparación de los equipos y máquinas electrónicas industriales.
Análisis gravimétrico
La evaluación de las probetas metálicas por medio del método gravimétrico mostró datos relevantes durante el primer mes y el proceso de análisis continúa hasta junio del 2014. Después del primer mes de exposición, las probetas de los metales mencionados “se retiraron y se pesaron para obtener la ganancia de peso, generada por el proceso de corrosión. Posteriormente se limpiaron y se obtuvo su peso final para evaluar la velocidad de corrosión con la pérdida de masa. Se utilizaron estándares ASTM para evaluar la velocidad de corrosión de los metales” (López, Valdez y Schorr, 2011).
En la tabla 1 se muestran los resultados de la VC de cada metal de acuerdo al periodo de exposición evaluado, y continúa el proceso para los siguientes meses del estudio. La VC mayor fue la de la plata, seguida del cobre, acero al carbono, estaño y níquel. La VC obtenida de cada metal no significa que se generen problemas de manera inmediata, sino que a corto, mediano o largo plazo, podría haber repercusiones graves. Al ser la plata y el cobre los más dañados se realizaron evaluaciones de la simulación matemática con del programa MatLab y los microanálisis de MBE de estos metales.
Tabla 1. Evaluación gravimétrica de las probetas metálicas en agosto de 2013.
Simulación matemática
Se realizó una evaluación de los niveles de corrosividad (NC) que indican el comportamiento de la corrosión en los metales analizados. Esto se muestra en las evaluaciones del cobre indicado en la figura 1 y de la plata en la figura 2. Las gráficas de simulación representan tres niveles, siendo en la figura 1 el de color verde oscuro donde se presentan niveles de correlación (NCO) bajos en el orden de 37%, seguido del color verde claro con 55% de NCO y el de color amarillo de 88% de NCO. Esto ocurrió en niveles altos de HR, considerado un factor importante en la generación de corrosión. La figura 1b muestra el mismo proceso para la plata correlacionando la VC con los niveles de temperatura, presentando nivel bajo de 26%, medio de 49% y alto de 71%.
Para la figura 2a se indica que los niveles de correlación, de acuerdo a los colores en el gráfico, fueron para la relación del cobre con la HR en niveles bajos de 31%, medios de 46% y altos de 81%. Para la figura 2 se muestra NCO del cobre con los rangos de la temperatura evaluados, de 22% en nivel bajo, 43% en nivel medio y 66% en nivel alto.
Lo anterior representa que los dispositivos electrónicos de la empresa donde se desarrolla el estudio podrían tener deterioro en un periodo corto o mediano, siendo no confiables en su operación y generando gastos innecesarios. Para esto es necesario controlar el proceso de corrosión que posiblemente no se elimine por completo y de manera rápida, pero que ayude a contar con los métodos adecuados para reducir su generación lo menos posible.
Figura 1. Correlación de la velocidad de corrosión (VC) del cobre con: (a) la humedad relativa y (b) la temperatura (agosto del 2013).
Figura 2. Correlación de la velocidad de corrosión (VC) de la plata con: (a) la humedad relativa y (b) la temperatura (agosto del 2013).
Análisis de microscopía
Los análisis desarrollados con la técnica MBE representan los niveles de deterioro a nivel microscópico, que aun siendo mínima existe la posibilidad de que una superficie dañada, de la manera en que ocurre con los especímenes metálicos, sea un obstáculo para la conductividad eléctrica y con ello se originen fallas eléctricas que impliquen gastos no contemplados en cada proceso de manufactura de la industria electrónica.
La figura 3a indica el deterioro de la probeta de cobre del primer mes a una escala de 500X y la figura 3b muestra el deterioro en una escala menor de 5X. La finalidad de ambas figuras es un análisis más detallado.
Los productos de corrosión indicaron porcentajes mayores de concentración de sulfuros. En cambio la figura 3c representa el microanálisis de la plata, con un poco mayor de efecto de corrosión, siendo más sensible a la presencia de este fenómeno electroquímico. La figura 3d indica una evaluación más detallada de la figura 3c con un nivel de escala de 5X.
Figura 3. Microanálisis de corrosión de probetas metálicas de: (a) cobre 500X, (b) cobre 5X, (c) plata 500X y (d) plata 5X en el primer mes del estudio.
Análisis de costos por corrosión
El uso de recursos económicos de manera adecuada en una empresa conlleva el éxito en su desarrollo y expansión. La presencia de costos inesperados origina un desequilibro financiero en las plantas industriales, por lo que se requiere ubicar rápidamente las causas de estos gastos innecesarios. Uno de los factores que contribuye a este tipo de costos es la presencia de corrosión en la industria electrónica, que genera a nivel mundial grandes pérdidas económicas y con ello incluso el cierre de las empresas.
En esta investigación, debido a estudios anteriores en otras regiones de la República Mexicana y de otros países, se correlacionaron los niveles de concentración de los agentes contaminantes H2S, SOX y NOX con variaciones de HR y temperatura, para obtener la VC de los metales mencionados. El cobre y la plata fueron los más deteriorados. Con base en esto se realizó una simulación en el programa MatLab sobre los posibles gastos por corrosión (%) que podrían generarse en un periodo de 24 meses, así como fallas eléctricas (%) posibles como se muestra en la figura 4.
Figura 4.
En la figura 4 se observan en color azul oscuro los niveles de baja intensidad respecto de los gastos y fallas eléctricas en los primeros cuatro meses de la simulación, y conforme transcurren los meses del análisis se muestra en color azul verde un nivel mayor de intensidad de fallas y gastos. Este análisis de simulación busca evidenciar lo que puede ocurrir si no se considera la toma de medidas adecuadas para el control de la corrosión.
CONCLUSIONES
Los microcircuitos, los conectores y los contactos eléctricos utilizados en la industria electrónica son muy susceptibles a la corrosión que se produce en condiciones de interiores en plantas de la industria electrónica en Mexicali. Esto tiene como consecuencia la presencia de gastos innecesarios que es prioritario reducir.
“La exposición de estos componentes electrónicos en ambientes no controlados en el interior de plantas industriales, ocasiona un deterioro por corrosión en los materiales de estos dispositivos electrónicos”. Esta corrosión dependerá de “factores como naturaleza del material, rugosidad de la superficie y composición, temperatura y contaminantes adheridos a la superficie” (López, Valdez y Schorr, 2011).
En este estudio se evaluaron los niveles de velocidad de corrosión (VC) con factores climáticos (humedad relativa (HR) y temperatura) y contaminantes del aire (H2S, SOX y NOX, principalmente), aplicando el método gravimétrico. El análisis total comprende un periodo de doce meses, iniciando en julio del 2013 y hasta junio de 2014, y en este artículo se presentó la información relevante de un mes.
La generación de corrosión observada en esta etapa del estudio ocurrió aún en ambientes controlados dentro de la empresa, mostrándose pequeñas manchas del fenómeno electroquímico. Para determinar los agentes contaminantes que ocasionaron el deterioro de los metales se utilizó la técnica de microscopía de barrido electrónico (MBE), mostrando las microfotografías con los niveles de corrosión.
Este trabajo es una investigación en proceso, se analizaron los cinco metales principales usados en la industria electrónica. Con base en los estándares ASTM se evalúo la velocidad de corrosión de cada metal instalado en el interior de la empresa que apoya este estudio. Por lo tanto, los resultados son provisionales pero significativos hasta el momento.
BIBLIOGRAFÍA
AHRAE. (1999). Handbook: Heating, Ventilating and Air-Conditioning; applications, American Society of Heating. Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Inc.
Anderson, T. (2003). Poor air quality in cities influenced by climate factors. Environmental Process Journal.
ASTM. (2000). Analysis Standards Techniques of Measurements.
Ballesteros, E. (2007). Principios de economía de la empresa. Editorial Oceánica.
Bueno, C. E., Cruz, R. A. y Durán, J. J. (2002). Economía de la Empresa. Análisis de las decisiones empresariales. Editorial Panamericana.
Fernández, P. J. M. (2003). Economía y Gestión de la Empresa. Editorial Oceánica
López Badilla, G., Valdez Salas, B. y Schorr Wiener, M. (2011). Spectroscopy analysis of corrosion in the electronics industry influenced by Santa Ana winds in marine environments of Mexico. Air Quality Book 4.
López Badilla, G., Valdez Salas, B., Zlatev, K. R., Flores, P. J., Carrillo, B. M. y Schorr Wiener, M. (2007). Corrosion of metals at indoor conditions in the electronics manufacturing industry. Anti- Corrosion Methods and Materials, 6(54):354-359.
López Badilla, G. (2008). Caracterización de la corrosión en materiales metálicos de la industria electrónica en Mexicali, B.C. (Tesis inédita de Doctorado).
López Badilla, G., Valdez Salas, B. y Schorr Wiener, M. (2011). Evaluación del deterioro de materiales por el cambio climático en interiores de plantas industriales de regiones áridas. Aleph Zero, 59.
López Badilla, G., Valdez Salas, B., Schorr Wiener, M., Zlatev, R., Tiznado, V. H., Soto, H. G. y De la Cruz, W. (2011). AES in corrosion of electronic devices in arid in marine environments. AntiCorrosion Methods and Materials.
López Badilla, G., Tiznado, V. H., Soto, H. G., De la Cruz, W., Valdez Salas, B., Schorr Wiener, M. y Zlatev, R. (2010). Corrosión de dispositivos electrónicos por contaminación atmosférica en interiores de plantas de ambientes áridos y marinos. Nova Scientia, 5,3(1).
Veleva, L., Valdez Salas, B., López Badilla, G., Vargas, L. y Flores, J. (2008). Atmospheric corrosion of electro-electronics metals in urban desert simulated indoor environment. Corrosion Engineering, Science and Technology, 2(43):149-155.
López Badilla, G., Valdez Salas, B., Schorr Wiener, M., Tiznado, V. H. y Soto, H. G. (2010). Influence of climate factors on copper corrosion in electronic equipments and devices. Anti-Corrosion Methods and Materials, 3(57):148-152.
Martin, A. E., Galán, G. J. l., Barroso, C. A. y Cossío, S. F. J. (2001). Problemas de Economía de la Empresa. Editorial Panamericana.
Moncmanova, A. (2007). Environmental Deterioration of Materials. WITPress Publishing.
Rocak, D., Bukat, K. y Zupan, M. (2005). The effect of H2S in the microelectronic devices. Microelectronics Journal.
Samuels, G. y Young, A. (2003). Corrosion in electronic equipments of industrial plants. Corrosion Science.
