Recubrimientos Pvd -cvd 13476i

Recubrimientos PVD -CVD

Contenido  Recubrimientos  Técnicas de recubrimientos  Termorrociado  PVD  CVD

 Implantación Ionica  Comparación

Recubrimientos  Mejoran propiedades mecánicas en la superficie de una pieza  Tenacidad  Fatiga  Conductividad térmica  Resistencia a la corrosión  Dureza

Técnicas de recubrimiento  Usualmente utilizados para herramientas de corte, aunque también es utilizado e otras industrias como la aeronáutica, microelectrónica, odontológica, etc.

Tipos de capas  Capa delgada: Poseen espesores alrededor de 1 micra, se utiliza técnica de termorrociado, PVD o CVD.  Capas gruesas: Poseen espesores mayores a los 100 micrones se utiliza la técnica de termorrociado .

Materiales  Carburo de titanio (TiC): Muy duro, buena resistencia al desgaste y estabilidad química, bajo coeficiente de dilatación térmica, excelentes propiedades de adicción (pueden utilizar varias capas).  Nitruro de Titanio (TiN): Fricción muy baja entre caras, baja conductividad térmica, alta resistencia a la corrosión, menores propiedades de adherencia que el TiC, coloración dorada.  Oxido de Aluminio (Al2O5):Elevada dureza, estabilidad química, resistencia a la formación de cráteres, alta fragilidad, dificultad de adherencia del substrato.

Termorrociado  Se conoce como termorrociado al grupo de procesos donde un material de alimentación es calentado y propulsado como partículas individuales o gotas hacia una superficie.  Tipos:  Gases combustión  Arco eléctrico  Plasma

 Material de alimentación: compuestos metálicos, cermets óxidos, vidrios y polímeros.  En forma de alambre, barras o polvos.

SOPORTES O SUSTRATOS 

Esta técnica de recubrimiento puede usarse en casi cualquier tipo de material: metales, cerámicas, vidrios , polímeros, materiales compuestos, etc.

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El enlace entre el sustrato y el recubrimiento puede ser mecánico, químico, metalúrgico o una combinación de estos.

Tipos de termorrociado  Proceso de combustión  Rociado por llama  Rociado por hvof  Rociado por detonación

 Procesos eléctricos  Proyección al arco eléctrico  Protección de plasma

Rociado por llama:  Puede ser usada con una gran variedad de materiales de alimentación, incluyendo alambres de metal, barras de cerámica, polvos metálicos y no metálicos.  El material es continuamente alimentado

Rociado HVOF (High Velocity Oxygen Fuel) Se utiliza una mezcla de oxigeno y otros gases, acelerada a velocidades supersónicas y se alimenta con material en polvo. Crea recubrimientos densos , con baja porosidad y alta fuerza de enlace.

 Rociado por detonación:  Es un proceso de combustión continuo con explosiones intermitentes que funden y proyectan las partículas hacia la superficie.  

En la cámara hay una mezcla de oxígeno, acetileno y el material en polvo del cual se hará el recubrimiento, y las detonaciones se hacen varias veces por segundo. El material es depositado a  muy altas velocidades.

Proyección con arco eléctrico: 

Es generalmente el método de termorrociado más económico.

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En este proceso se usa una corriente eléctrica para generar la energía térmica necesaria para fundir los materiales, utilizando 2 barras de metal como alimentación, las cuales actúan como electrodos que son continuamente consumidos mientras se funden debido al arco eléctrico presente entre ellos.

Proyección de plasma 

Este proceso utiliza un arco eléctrico DC para generar un flujo de plasma gaseoso ionizado con muy altas temperaturas que actúa como la fuente de calor para el rociado.

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El arco se forma entre dos electrodos no consumibles,  el cátodo de tungsteno y el ánodo de cobre. La antorcha es alimentada con un flujo continuo de gas inerte el cual es ionizado por el arco DC y es comprimido y acelerado por la antorcha de forma tal que sale a grandes velocidades y altas temperaturas como un jet de plasma.

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Material alimentado en forma de polvo, pueden ser metales refractarios y cerámicas.

PVD  Se caracteriza por la evaporación del material a muy altas temperaturas, material más utilizado Nitruro de Titanio (TiN)

Técnica de Sputterin  Los átomos del recubrimiento se obtienen bombardeando unos blancos con iones de un gas inerte a baja energía.  Es posible producir capas de recubrimientos binarios, ternarios, etc.  El proceso es lento, pero limpio, versátil, y mas controlable que el de evaporación.

 Los recubrimientos por PVD mas extendidos son los de Nitruro de Titanio (TiN), en capas de 1 – 2 µm obtenidas por métodos de evaporación.(500°C)  El TiN abarca cerca del 90 % del mercado de recubrimientos duros, seguido por otros como el TiC o el Carbonitruro de Titanio TiCN.  Existen otros recubrimientos comerciales como es el caso del Nitruro de Cromo (CrN), el Carburo de Tungsteno (WC) o la alumina (Al2O3 ).  Otra línea es la de la lubricación sólida. El Disulfuro de Molibdeno (MoS2) es ideal para los problemas de fricción.

IBAD  ION BEAM ASSITED DEPOSITION  Se somete la superficie sobre la que se esta formando el recubrimiento a un bombardeo simultaneo con iones de una determinada energía.

Aplicaciones PVD (Torneado)

CVD 

Este tipo de técnicas tienen en común que utilizan medios químicos para obtener recubrimientos a partir de compuestos en fase de vapor.

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Se utilizan cámaras de vacío, se utilizan temperaturas altas (1.000 ºC) o medias para obtener capas finas (10 micras) o gruesas de (100 micras).

Reacciones   químicas 

En esencia, los métodos de CVD implican siempre reacciones químicas, que llamamos de transporte. En ellas, determinados compuestos volátiles de los elementos que nos interesan son reducidos en la superficie a recubrir dando lugar a la deposición de dichos elementos.

Plasma CVD  La presencia de una descarga eléctrica (en forma de plasma) en el interior del reactor hace que las moléculas de los gases pasen a estados de energía elevada favoreciendo la velocidad de reacción.  Fuentes de CA de alta frecuencia.  Se puede realizar con plasma asistido por radiofrecuencia o por microondas.  En la técnica de CVD asistida por plasma de radiofrecuencia ( PACVD) normalmente se trabaja a presiones bajas ,y la T° de operación suele ser baja (< 350°C).

 El calentamiento local del substrato se lleva a cabo mediante una bobina de inducción situada debajo del porta substrato.  La intensidad del campo está calculada para que los electrones de la descarga giren alrededor del campo magnético con una frecuencia igual a la frecuencia de la descarga. Se alcanza así la condición de resonancia en la oscilación de los electrones ("electrón cyclotron resonance" o ECR) lo cual aumenta la eficiencia de la ionización y por tanto la densidad del plasma.

Aplicaciones CVD (Torneado)

Bombardeo Iónico 

Si la energía es muy baja (10 voltios de aceleración) los átomos se depositan en la superficie.

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Si la aceleración es mayor (500 voltios) predomina el proceso de pulverización de la superficie (sputtering)

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A energías mayores (100000 voltios) se incrustan alcanzando profundidades de 0.2 micras.

EQUIPOS INDUSTRIALES 

Las dos aplicaciones industriales mas importantes de la implantación iónica son el dopado de semiconductores y el tratamiento de superficies metálicas.

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La implantación de superficies metálicas, para ser eficaz, requiere dosis de iones de mil veces superiores a las utilizadas en microelectrónica.

SUPERFICIES IMPLANTADAS La implantación iónica produce cambios de composición que son el origen de aumento de la resistencia al desgaste, fricción y corrosión. Los parámetros que caracterizan cada implantación son: 

Tipo de ión

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Energía de implantación

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Dosis implantada.

VENTAJAS  Consigue aumentos de vida útil de hasta cinco o diez veces según la aplicación  No produce cambio alguno de dimensiones 

No produce cambio alguno en el acabado superficial

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Hay una transición gradual entre zona tratada y substrato de manera que la parte tratada no puede desprenderse.

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Se aplica a baja temperatura (por debajo de l50º c)

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Puede aplicarse sobre otros tratamientos (nitruración, cromo duro, TiN ) multiplicando sus efectos.

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Es extremadamente controlable y, por lo tanto, repetible.

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Puede limitarse selectivamente a las partes de las piezas que se desean proteger, enmascarando fácilmente el resto.

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Es muy versátil dado el gran número de posibles combinaciones de iones y parámetros del proceso.

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Es medioambientalmente limpia.

Cuadro comparativo de Ventajas Implantación iónica

PVD

CVD

PACVD

Temperatura de proceso muy baja (<150ºc): No afecta al temple-revenido

Temperatura de proceso relativamente baja (200500ºc): Normalmente no hay que volver a templarrevenir.

Temperatura del proceso: 450-550ºc): incluso puede aplicarse en algunos aceros sin tener que volver a templar.

No precisa tratamientos posteriores.

Normalmente no requiere tratamientos posteriores

Normalmente no requiere tratamientos posteriores

Acabado superficial totalmente inalterado.

Poca influencia en el acabado superficial.

Poca influencia en el acabado superficial.

Forma y dimensiones totalmente inalteradas.

Poca influencia en la forma y dimensiones.

Sin posibilidad de desprendimiento, (no es un recubrimiento).

Muy buena adhesión. Mínimo riesgo de delaminación

Mejor adhesión que el PVD y mínimo riesgo de laminación.

Tratamiento sin riesgos.

Tratamiento muy uniforme incluso en recovecos.

Puede recubrir algunos recovecos y formas complicadas

Limpieza previa necesaria pero no tan crítica como en el PVD.

La limpieza previa no es crítica.

Limpieza previa menos crítica que para el PVD.

Cuadro comparativo de Desventajas Implantación iónica

PVD

CVD

PACVD

Proceso direccional

Proceso direccional

No adecuado para herramientas que trabajan a alta temperatura (>300ºc).

La temperatura del tratamiento puede afectar a aceros con revenidos a baja temperatura.

La temperatura del proceso alcanza los 1000ºc. Puede causar deformaciones. En aceros será preciso templar después del tratamiento.

La temperatura del tratamiento puede afectar a aceros con revenidos a baja temperatura. Puede causar deformaciones.

Añade 2-3 µm a las dimensiones de la herramienta. La limpieza previa y el estado superficial son muy críticos. Cuando no son perfectos no se puede aplicar el PVD.

Añade 3-10 µm a las dimensiones de la herramienta. Altera el acabado superficial. Puede ser necesario pulir después del recubrimiento

Añade 2-3 µm a las dimensiones de la herramienta.

Riesgo de desprendimiento del recubrimiento. La capa implantada no es muy profunda (<0,5µ). No adecuada para desgaste abrasivo severo.

Puede no ser suficiente para el desgaste abrasivo severo.

Cuadro comparativos de aplicaciones Implantación iónica Capacidad de solución de diversos problemas

aplicaciones típicas

PVD

CVD

PACVD

Desgaste adhesivo a cargas bajas.

Desgaste adhesivo a cargas relativamente altas.

Desgaste adhesivo en general.

Desgaste abrasivo medio.

Desgaste abrasivo fuerte.

Desgaste abrasivo severo.

Corrosión.

Corrosión (con limitaciones).

Herramientas sujetas a grandes esfuerzos

Punzones, troqueles y matrices para chapa de acero y otros metales.

Herramientas de mecanizado, brocas, fresas y plaquitas.

Plaquitas de mecanizado.

Herramientas de mecanizado, brocas, fresas y plaquitas.

Moldes de inyección de plástico.

Pequeños punzones y troqueles para hojalata y acero inoxidable.

Pequeños punzones y troqueles para hojalata y acero inoxidable.

Pequeños punzones y troqueles para hojalata y acero inoxidable.

Herramientas de corte para plásticos, caucho, papel y alimentos.

Matrices de estirado.

Matrices de estirado.

Herramientas de meca nizado especiales.

Componentes de moldes de plástico.

Algunos componentes de moldes de plástico.

Desgaste abrasivo severo.