Recubrimientos de altas prestaciones

Conseguir recubrimientos de otras prestaciones para los materiales metálicos que los doten, por ejemplo, de mejor resistencia al desgaste y la corrosión, dureza optimizada o bajos coeficientes de fricción es el objetivo hoy de diferentes grupos de investigación públicos y privados catalanes. Algunos de sus desarrollos ya han llegado a las empresas catalanas que los utilizan en aplicaciones tan diversas como multiplicar la vida útil de las piezas recubiertas de una incineradora de residuos, de un avión o de un coche o perfeccionar las micro y nanoestructuras aplicadas en los materiales semiconductores.

Seis casos reales sobre las nuevas tecnologías que ofrecen hoy a las empresas estos equipos de investigación del sector catalán del material metálico protagonizaron la jornada 'Soluciones tecnológicas al alcance de las pymes: sector material metálico' organizada por la Fundació Catalana per a la Recerca i la Innovació (FCRI), el PTV y ACC1Ó (CIDEM/COPCA), en colaboración, con la Asociación de Industrias de Acabados de Superficies (AIAS).

Fotografía:Izar

La obtención de recubrimientos sobre substratos metálicos se puede llevar a cabo a bajo coste mediante la deposición de soluciones químicas de compuestos metaloorgánicos de los metales precursores. Tras la descomposición térmica en atmósfera controlada se consiguen capas con alta planaridad y homogeneidad composicional. Este tipo de metodologías químicas de soluciones representan una alternativa a métodos de deposición física (PVD) tales como 'sputtering magnetronic', deposición catódica de arco, deposición con láser pulsado (PLD) o con haz de electrones, así como a otras técnicas químicas como la deposición de vapor químico (CVD). Las ventajas residen en que no se precisa el uso de equipos de vacío, no demandan grandes cantidades de energía y la gran versatilidad sobre las características de la capa a partir del control de la solución química precursora. El proceso es lo bastante versátil como para ofrecer la posibilidad de nanoestructurar la superficie de los substratos por 'dewetting' de la capa depositada o la posibilidad de preparar nanocomposites por segregación espontánea de fases secundarias que pueden conducir a nuevas funcionalidades.

Los sistemas de deposición de las soluciones químicas utilizados han sido el recubrimiento por inmersió (dip-coating) y la impresión por chorro de tinta (ink-jet printing). En ésta última es posible la deposición con diferentes geometrías y la obtención de capas con gradientes composicionals.

Tras la descomposición térmica en atmósfera controlada se consiguen capas con alta planaridad y homogeneidad composicional. Este tipo de metodologías químicas de soluciones representan una alternativa a métodos de deposición física (PVD)

En su grupo se ha aplicado con éxito sobre substratos de acero inoxidable y aleaciones de níquel por la deposición de multicapas cerámicas epitaxials por la obtención de cintas superconductoras flexibles, donde el control composicional, la orientación cristalina, la planaridad y el grosor son primordiales para alcanzar materiales con altas prestaciones. Estos resultados han sido transferidos a la empresa de cable Nexans.

Dada su flexibilidad y facilidad de escalamiento, esta tecnología tiene un futuro prometedor en el sector de los recubrimientos sobre metales por cumplir diversas funciones: pasivado de superficies, aumento de la dureza, modificación de las propiedades tribológicas, ajuste de las propiedades ópticas, acabados decorativos, funcionalización con cerámicos avanzados con propiedades magnéticas, piezoeléctricas, ópticas, etc.

El Grupo de Ingeniería de Materiales centra su actividad en la investigación y el desarrollo de recubrimientos especiales (cerámico o metálico). Estos recubrimientos presentan un gran potencial ya que proporcionan a los substratos sobre los que se depositan características excelentes de dureza, conductividad térmica y eléctrica, resistencia al desgaste y a la corrosión, baja reactividad química y bajo coeficiente de fricción.

El Gemat ha desarrollado la tecnología propia RP-CVD (Reactive particle - Chemical Vapor Deposition). Actualmente dispone de reactores piloto, donde se han escalado los procesos desarrollados previamente a nivel de laboratorio y que han dado pie a revistas científicas de primer nivel internacional. El Gemat proporciona soluciones a medida que dan respuesta a los problemas industriales reales que le llegan, aplicando técnicas como CVD o PVD.

El Gemat ha transferido su primer producto nombrado Silnitron a la empresa Flubetech. Silnitron es un recubrimiento cerámico base Silicio que presenta una dureza elevada (22 GPa) así como un bajo coeficiente de fricción, una gran resistencia a la oxidación térmica y una gran adherencia al substrato. Silnitron supone una solución especialmente indicada por problemas de desgaste en sistemas de inyección y de extrusión de aluminio y en las placas de mecanización de aluminio, aunque presenta otras aplicaciones potenciales interesantes al ser un material biocompatible. Actualmente no se comercializa ningún otro recubrimiento basado en silicio de características similares.

Además, el Gemat ha transferido otras tecnologías a la empresa Flubetech y al Grupo TTC (Tratamientos Térmicos Carreras)..

Fotografía: Merck Farma

Las soluciones industriales que presenta hoy en día la proyección térmica, mediante las diferentes tecnologías que engloba, van desde la producción de recubrimientos biocompatibles hasta recubrimientos resistentes a fenómenos de desgaste o corrosión. Se utilizan materiales metálicos, cerámicos, poliméricos o mezclas de los mismos en función de los requerimientos.

El Centro de Proyección Térmica de la Universidad de Barcelona trabaja en estos diferentes sectores a través de la Proyección Térmica de Alta Velocidad (HVOF), la Proyección por Plasma Atmosférico (APS) y la Proyección por Llama (FS).

Un ejemplo concreto de la aplicación de la técnica de Proyección para HVOF es la protección de un cambiador de calor en una planta de incineración de residuos urbanos en los fenómenos de degradación. Mediante ensayos in situ en plantas de incineración se ha conseguido multiplicar las horas de vida útil de las piezas recubiertas, mejorando la seguridad y el rendimiento de la planta.

Recubrimiento de materiales electroactivos por electrodeposición

Más allá de los recubrimientos electroquímicos tradicionales para la protección frente a la corrosión, con estos métodos se pueden obtener superficies conductoras que permitan transmisión de corriente en superficie, dando lugar a efectos electrocrómicos, antiestáticos, mecánicos, etc.

Se mostrarán ejemplos de la obtención de recubrimientos transparentes de geometrías complejas con aplicación en dispositivos electromecánicos, de captación de energía u otros como los de ventanas inteligentes. Los ejemplos se basan en polímetros conductores orgánicos, óxidos electroactivos, y sus híbridos, así como en recubrimientos inusuales como metales sobre oxido.

Los tratamientos electroquímicos permiten asimismo el control eléctrico del potencial de superficie y por tanto del estado del recubrimiento, mediante procesos de intercalación controlados, así como el control de la capacidad de absorción de carga en acumuladores de energía.

La ventaja del método es que permite la modificación de la microestructura superficial, la adherencia, y un poder de penetración muy superior al de cualquier otra técnica en geometrías complejas reales.

La utilización de los disolventes denominados fluidos comprimidos (FC) o fluidos supercríticos (FSC) para la preparación de materiales micro y nanoestructurats supone una vía alternativa a los métodos convencionales que implican la utilización de disolventes orgánicos contaminantes. Investigadores del CSIC expertos en estas metodologías (y inventores de algunas de ellas), han demostrado su aplicabilidad para obtener materiales en polvo con tamaño de partícula micro y/o nanoscópica, materiales compuestos -partículas con recubrimiento orgánico y dispersiones y disoluciones sólidas- y sistemas dispersos líquidos, nanosuspensiones y nanoemulsiones. Para la obtención de estos materiales, propiedades como la medida de partícula han sido eficientemente moduladas desde la escala micro hasta la nanoscópica por medio de la modificación de los parámetros de proceso en condiciones suaves de presión y temperatura. De lo contrario, la estructura interna de los materiales se ha mostrado como altamente homogénea. Por ejemplo, se han obtenido fases polimórficas puras difíciles de obtener a partir de métodos convencionales. Estos procesos han sido escalados desde la escala de laboratorio hasta la escala de planta piloto con total reproducibilidad.

El rasgo diferencial de estas tecnologías basadas en FC o FSC (habitualmente CO2) es el hecho de que consisten en procesos de etapa única para producir materiales micro o nanoestructurados de una manera alternativa y ventajosa en relación a de otros procedimientos multietapa de tipo ascendente. Ofrecen como importantes ventajas competitivas un elevado control de las propiedades de proceso y producto (tamaño de partícula y estructura interna) y la reducción en la utilización de disolventes orgánicos.

Oxford Instruments Plasma Technology, Adixen-Alcatel Vacuum Technology, Kurt J. Lesker y Advanced Energy ofrecen equipos flexibles, procesos y componentes por el crecimiento, deposición y grabado de micro y nanoestructuras de forma controlada y reproducible. Sus sistemas ofrecen soluciones únicas para la ingeniería de materiales a escala micro y nanométrica basadas en las siguientes tecnologías: deposición y grabado por plasma (CVD, RIE, ICP, etc.), Deposición por Capa Atómica (ALD), Deposición física de Vapores para Pulverización Catódica (PVD, Sputtering), Crecimiento Epitaxial Molecular (MBE), Deposición y grabado para Haz de Iones (IBD, IBE, CAIBE, RIBE), equipos de crecimiento a escala nanométrica y Componentes como bombas de alto vacío y UHV, generadores RF y DC, cámaras de vacío, etc.

Los recubrimientos PVD representan una solución bien establecida para la mayoría de herramientas de corte para el mecanizado rápido, pero también se están descubriendo aplicaciones con mucho éxito como la producción industrial avanzada, como es el caso de los moldes de inyección y los moldes de embutición

El Ciefma es un centro de la Red de Innovación y Tecnología de la Generalitat de Catalunya, localizado en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona, que es experto en tecnología de materiales y con actividades que abarcan la caracterización, la integridad estructural y la fiabilidad de materiales industriales. En particular, la experiencia científica y técnica del centro permite afrontar problemas únicos de caracterización de superficies que a menudo se requieren en los ámbitos de esta jornada. El Ciefma pretende en esta jornada presentar y poner al alcance de la industria el know-how y los medios más actuales y avanzados disponibles para llevar a cabo una rigurosa caracterización de superficies modificadas y de recubrimientos de diferente grosor, y de propiedades tanto funcionales como estructurales. La aplicación de las diversas técnicas de caracterización de superficies de las cuales se ha dotado el centro en los últimos años, permite determinar las propiedades mecánicas de las capas superficiales modificadas por diversos tratamientos superficiales (nitruración, cementación, implantación iónica, etc.) y de los recubrimientos depositados por las técnicas a las cuales se dirige la jornada.

Los recubrimientos PVD representan, hoy en día, una solución bien establecida para la mayoría de herramientas de corte para el mecanizado rápido. Pero también se están descubriendo aplicaciones con mucho éxito en otros nichos de la producción industrial avanzada, como es el caso de los moldes de inyección y los moldes de embutición. La calidad obtenida con los recubrimientos PVD recientemente desarrollados permite trabajar con una importante reducción del desgaste en los moldes y también, con recubrimientos antifricción se facilita mucho el desmoldado de las piezas fabricadas. Expondremos ejemplos concretos de algunos recubrimientos PVD desarrollados por estas aplicaciones específicas y de sus resultados en la aplicación industrial.

Ablación láser y pulverización catódica son dos técnicas de fabricación de recubrimientos a partir de fase vapor (PVD), adecuadas para el crecimiento de láminas de espesor submicrónico sobre substratos planos. Mediante un haz láser (ablación láser) o iones (pulverización catódica) se arrancan átomos de un blanco másico, formándose un plasma de alta energía con la misma composición química del blanco. De esta forma es sencillo fabricar recubrimientos de estequiometría compleja, y además la alta energía del plasma facilita el crecimiento cristalino a temperaturas de substrato moderadas.

Las técnicas son muy rápidas en procesos de optimización que precisen fabricar recubrimientos con diferentes composiciones y diferentes parámetros óptimos de crecimiento. Son por tanto convenientes en procesos de investigación, pudiendo ser substituidas por otras técnicas en los procesos de producción.

En el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona tienen una larga experiencia en el uso de las técnicas de ablación láser y pulverización catódica. Disponen de dos cámaras de crecimiento mediante rf-magnetron sputtering adecuadas para recubrimientos de óxidos y metales, y en los próximos meses se instalará un laboratorio de ablación láser que incluirá dos cámaras de crecimiento y control en tiempo real mediante difracción de electrones (RHEED). Su experiencia incluye la fabricación de óxidos complejos funcionales (ferromagnéticos, conductores, etc.) y metales (platino). En la presentación mostraremos las características de esos recubrimientos para ilustrar las capacidades de las dos técnicas.