• Author / Uploaded
• Ivan Rueda

Citation preview

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.



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.



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.



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.



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.



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.



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



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.



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



Energía de implantación



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



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



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



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



Es extremadamente controlable y, por lo tanto, repetible.



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



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



Es medioambientalmente limpia.

Cuadro comparativo de Ventajas Implantación iónica

PVD

CVD

PACVD

Temperatura de proceso muy baja (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 (