Recubrimientos Duros · industria contra los nocivos efectos de la fricción y el des-gaste...
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WWW.METALACTUAL.COM PROCESOS 32 En las últimas tres décadas los investigadores dedicados al estudio de nuevos materiales metálicos en Colombia, han mostrado un especial interés en el desarrollo de recubri- mientos duros. En el país, al igual que en el resto del mundo, el desarro- llo espectacular de los recubrimientos, en forma de capas o películas delgadas, está asociado a la batalla que libra la industria contra los nocivos efectos de la fricción y el des- gaste generado sobre piezas mecánicas en cualquier línea de producción. En efecto, el continuo rozamiento entre componentes y/o herramientas en procesos de mecanizado, conformado de metales, transmisión de movimiento, sistemas de engrana- jes, cojinetes, rodamientos y, en general, la acción propia Recubrimientos Duros: Deposición Física en Fase Vapor (PVD) Camilo Marín Villar. Coordinador Metal Actual Foto: www.surreynanosystems.com Películas de milésimas de milímetro de espesor más duras que el acero. Los recubrimientos metálicos duros han experimentado un incremento importante en las últimas décadas, debido a la diversidad de aplicaciones industriales que surgen cada día. El desarrollo de está tecnología en Colombia ha sido liderado por los grupos de investigación universitarios, con apoyo de Colciencias y la participación de la empresa metalúrgica y metalmecánica.
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En las últimas tres décadas los investigadores dedicados al estudio de nuevos materiales metálicos en Colombia, han mostrado un especial interés en el desarrollo de recubri-mientos duros.
En el país, al igual que en el resto del mundo, el desarro-llo espectacular de los recubrimientos, en forma de capas o películas delgadas, está asociado a la batalla que libra la industria contra los nocivos efectos de la fricción y el des-gaste generado sobre piezas mecánicas en cualquier línea de producción.
En efecto, el continuo rozamiento entre componentes y/o herramientas en procesos de mecanizado, conformado de metales, transmisión de movimiento, sistemas de engrana-jes, cojinetes, rodamientos y, en general, la acción propia
Recubrimientos Duros: Deposición Física en Fase Vapor (PVD)Camilo Marín Villar.Coordinador Metal Actual
Foto: www.surreynanosystems.com
Películas de milésimas de milímetro de espesor más duras que el acero.
Los recubrimientos metálicos duros han experimentado un incremento importante en las últimas décadas, debido a la diversidad de aplicaciones industriales que surgen cada día. El desarrollo de está tecnología en Colombia ha sido liderado por los grupos de investigación universitarios, con apoyo de Colciencias y la participación de la empresa metalúrgica y metalmecánica.
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del trabajo, causa que todas las super-ficies mecánicas en contacto sufran de-terioro y desgaste.
Con el fin de mejorar las propiedades de los metales para que tengan un mejor desempeño frente las extremas condiciones y factores industriales como la fricción, las altas temperatu-ras, corrosión y el desgaste, existen numerosas técnicas de recubrimien-tos con capas delgadas de materiales superduros de tipo cerámico, cuyo es-pesor puede ser entre algunos nanó-metros hasta unas pocas micras (µm). La idea es mejorar el rendimiento y acabado superficial de los metales, además disminuir costos de manteni-miento por paradas inesperadas.
De todas las técnicas empleadas para obtener recubrimientos duros, qui-zás las que han tenido mayor auge en los últimos 20 años, tanto a nivel académico como industrial, son las basadas en la deposición en fase va-por de tipo físico (PVD). Las cuales se utilizan en una gran variedad de pro-cesos de manufactura y sectores, has-ta el punto que en países europeos y los Estados Unidos han reemplazado
a los métodos tradicionales como la inmersión en caliente. Aunque, la de-posición química en fase vapor (CVD) también ha sido estudiada y emplea-da industrialmente, actualmente su uso ha sido desestimado, pues las altas temperaturas del proceso afectan las propiedades mecánicas de los metales.
Las técnicas PVD están basadas en la formación de un vapor del material a depositar, con objeto de que se con-dense sobre la superficie de un sustra-to para formar una o varias capas ultra delgadas que lo recubran y protejan. El proceso se realiza en atmósfera con-trolada en alto vacío (10-5 mbar), para evitar la interacción del material en estado gaseoso con el aire, así como la absorción, por parte del sustrato, de gases contaminantes de la atmosfe-ra, además se efectúa a temperaturas de entre 150 y 500 °C, dependiendo de las características a obtener en el recubrimiento.
En resumidas cuentas, consiste en eva-porar un metal puro o aleación por me-dios físicos, de forma que reaccione y forme un nuevo compuesto para luego depositarlo sobre una pieza a recubrir.
En la mayoría de los casos se recubren aceros previamente endurecidos, por tratamiento térmico, con películas del-gadas de uno o más materiales duros, que pueden ser nitruro de titanio (TiN), uno de los primeros recubrimientos empleados industrialmente, o nitruros base cromo como Cr2N, y otros como el nitruro de titanio aluminio (TiAlN), cadmio o niobio, todos estos con ca-racterísticas y propiedades especifi-cas. El proceso puede ser asistido por plasma para aumentar la velocidad de crecimiento y mejorar las propiedades de la capa, en dicho caso se denomina PEPVD (deposición física en fase vapor asistida por plasma).
Una vez se acondiciona la cámara y la pieza se ubica en su interior, se aña-de el material a depositar en estado sólido y de alta pureza (metales tales como titanio, circonio, niobio, cromo y aluminio, entre otros), para conver-tirlo en un vapor al calentarlo o al bombardearlo con iones energéticos (pulverización catódica).
Simultáneamente, se inyecta un gas de reacción (nitrógeno), el cual forma un
compuesto con el vapor metálico que se condensa sobre la superficie del sustrato y genera una capa delgada altamente adherente. Para obtener un espesor de recubrimiento uniforme las piezas giran alrededor de varios ejes.
VariantesLas técnicas de PVD se pueden dividir en aquellas en las que la evaporación se inicia por calentamiento (técnicas de evaporación térmica en sus distin-tas variantes) y en las que el vapor se obtiene mediante bombardeo del ma-terial sólido a depositar con partículas. En muchos casos las variantes de la obtención de recubrimientos por PVD se confunden o se asocian a una sola, aunque son distintas.
La gran diferencia es el método de evaporación; por ejemplo, si la evapo-ración se produce por calentamiento de un haz de electrones sobre un crisol conteniendo el metal, la técnica se de-nomina ion plating. Si se produce por efecto de un arco eléctrico que se des-plaza sobre el metal (catódo) se trata de evaporación por arco. Y si el vapor se consigue por bombardeo sobre el material metálico o cerámico, median-te un haz de iones de gas inerte (Ar) el proceso se llama sputtering o pulveri-zación catódica. Este último, puede ser
PVD TiN en cámara después de su tratamiento.
María Elena Gómez de PrietoLa doctora en ciencia física, de la Universidad del Valle, magister scientiae, especialidad en física de Universidad Nacional de Colombia, quien reciente-mente regreso de la Conferencia Internacional en Recubrimientos Metalúrgicos y Películas Delgadas en San Diego – California, explicó que efectiva-mente hoy día hay más investigación al respecto y las empresas han comenzado a tener interés en el tema. Sin embargo, considera que hace falta mayor inversión y decisión política para impulsar defi niti-vamente esta tecnología. “Llevar los recubrimientos duros a escala industrial requiere una fuerte inver-sión, los equipos no se pueden comprar por diez pesos. Se necesitan años, quizás décadas de inver-sión y capacitación de profesionales a nivel de doc-torado para pensar que Colombia vislumbre este desarrollo comercialmente”. Gómez explicó que los métodos de PVD tienen cada día más aplicaciones, además de nuevos y prometedores resultados y que, sin duda, es una de las tecnologías del futuro. “Colombia importa útiles y herramientas recubier-tas, las cuales podría desarrollar, con el benefi cio de que sean componentes hechos a la medida de las necesidades y requerimientos de la industria nacional. Todo depende de la inversión y la decisión nacional. Yo llevó 30 años en este tema y si no co-menzamos a invertir en serio, podemos durar otros 30 investigando”, añadió.
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optimizado con campos magnéticos (magnetrón) aplicados sobre la pieza a depositar.
Cada técnica PVD se ha especializado en determinadas aplicaciones y ha de-sarrollado recubrimientos específicos. Así, la evaporación por arco eléctrico y por haz de electrones se emplea ma-yoritariamente en recubrimientos du-ros para resistencia al desgaste; por su parte, los recubrimientos que permi-ten disminuir el coeficiente de fricción a valores inferiores a 0.1, se obtienen por técnicas de sputtering y por eva-poración por arco.
La elección entre una u otra técnica depende de múltiples factores, pri-mero que todo de la disposición del método y posteriormente, del tipo de material a recubrir, la composición, cualidades y propiedades que se nece-siten y el espesor de la capa requerido, entre otros.
Con esta tecnología se pueden recu-brir todo tipo de aceros de alta y baja aleación y metales duros; además, casi todos los materiales metálicos no ferro-sos, e incluso, cerámicos. Pueden pro-ducirse recubrimientos de una o de va-rias capas (multicapas), así como capas de varios elementos y sistemas de recu-brimiento con muy buena adhesión.
Los recubrimientos PVD tienen infini-dad de aplicaciones pero, básicamen-te, según su microestructura son muy útiles para aplicaciones tribológicas (desgaste y fricción); resistencia quími-ca, para proteger superficies frente a la corrosión; eléctricas y magnéticas, con el fin de crear capas superconduc-toras, aislantes y magnéticas.
Se usan en el recubrimiento de com-ponentes de motores para vehículos y autopartes, para proteger y prolongar la utilidad de herramientas de corte, troqueles y moldes, en la construcción de dispositivos electrónicos, bioma-teriales e implantes médicos, herra-mientas para minería y la industria aeroespacial.
Ventajas y Limitantes Los beneficios de manufactura al em-plear componentes o herramientas recubiertas con técnicas PVD son con-siderables porque, entre otras cosas,
prolongan la vida útil de los herra-mentales, aumenta los niveles de pro-ducción, reduce los esfuerzos de corte o estampado, evita agarrotamientos y reduce los tiempos muertos por cam-bios de herramientas o reprocesos. El recubrimiento abre nuevas dimensio-nes en la fabricación y diseño con cla-ras ventajas en la reducción de costos de numerosas aplicaciones.
Por ejemplo, los recubrimientos hacen que las cajas de engranajes funcionen con mayor fiabilidad y sean capaces de admitir mayores cargas, reduzcan el consumo de combustible del motor, aumentan las prestaciones de las bom-bas y compresores y las hacen menos agresivas para el medioambiente.
Los recubrimientos duros proporcio-nan una combinación ideal de bajo coeficiente de fricción, elevada resis-tencia al desgaste y capacidad extrema de carga. Una característica especial, es el notable rendimiento durante el rodaje y en seco de los recubrimientos desarrollados por PVD y CVD.
Las tres fases de integración de una capa con recubrimiento PVD.
Jaime Osorio VélezEl doctor en Física, coordinador del Grupo de Es-tado Solido (GES) de la Universidad de Antioquia, asegura que sin lugar a dudas los recubrimientos duros en capas delgadas representan, en especial, ventajas de tipo económico. Osorio Vélez explica que, por ejemplo, para la industria grafi ca o la azu-carera, en la que se emplean cuchillas de corte, los recubrimientos por PVD logran prolongar la vida de la herramienta en más del 50 por ciento.
César Andrés Amaya Hoyos, Ms.C.El ingeniero magister con énfasis en materiales y profesional 06 del Laboratorio de Recubrimientos Duros en el Centro ASTIN del Sena-Valle del Cau-ca, considera que la tecnología PVD es una realidad en Colombia, estudiada y aplicada industrialmente con grandes benefi cios y casos de éxito.Sin embargo, critica la desinformación que existe frente al tema, ya que muchos empresarios des-conocen la tecnología o la subestiman. Amaya confi rma que en el Valle del Cauca hay empresas que tienen rotaciones de herramientas de hasta 200 unidades por semana, lo cual, para él, es inaudito, pues con los recubrimientos duros lograrían ampliar el periodo útil de trabajo al doble. Así, obtener ma-yor efi ciencia, ahorro en costos de herramental y optimización de recursos. “El dinero ahorrado, por parte de una empresa, con la aplicación de capas delgadas, puede emplearse para la inversión en tecnología, ampliación de nuevos puestos de traba-jo o apertura de nuevos mercados”, añade. Actualmente, el Sena cuenta con servicio de de-posición física en fase vapor (PVD) abierto a la industria. Este año, el laboratorio de recubrimientos duros del Centro ASTIN del SENA, incursionará en dos tipos de recubrimientos a saber: recubrimientos biocompatibles para componentes y prótesis médi-cas que promuevan el crecimiento de tejido óseo y recubrimientos auto-lubricantes para componentes metálicos en contacto relativo sometidos a altos ciclos de trabajo y temperatura, ambos desarrollos concebidos de tal manera que su transferencia al sector industrial sea rápida y exitosa.
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Entre otras ventajas se destacan las siguientes:
• Reducción de costos: menos gastos en refrigerante, con-sumo de energía, esfuerzo de la máquina y remplazo de herramientas, mejora la resistencia contra la corrosión.
• Acortan los plazos de entrega: aumenta la productivi-dad ya que permite mayores velocidades de mecaniza-do, menos paradas de máquina.
• Mejoran la calidad del producto: mejor acabado superfi-cial, menos rugosidades, protege la herramienta cuando se mecaniza en seco (autolubricación).
• Ofrecen un excelente desempeño industrial e impulsan la competitividad de las empresas y la apertura de nue-vos mercados.
• Reducen el impacto medioambiental, al ahorrar recursos.
Sin duda, el limitante más evidente de deposición física en fase vapor, PVD, es el alto costo de los equipos y el proce-so, según expertos en el tema un equipo completo de tipo industrial, instalado y puesto a punto, para aplicar capas delgadas de diferentes espesores y materiales, puede costar alrededor de US$2 millones. Para lograr el retorno de la in-versión se necesitarían aproximadamente tres o cuatro años y aplicar entre dos y tres turnos de recubrimientos al día.
Planta semi-industrial de recubrimientos duros del CDT-ASTIN SENA. Funciona bajo PVD, asistida con campos magnéticos o magnetrón sputtering. A nivel industrial, las dimensiones de la cámara de vacío permiten recubrir piezas con un máximo de 27 cm de largo y un diámetro de 16 cm. El ASTIN cuenta con un sistema para sujeción de brocas tipo planetario el cual permite recubrir 14 brocas con diámetro hasta ¼” y 7 brocas con diámetro de ½” en una sola carga de trabajo.
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Panorama Nacional Según explica César Andrés Amaya Ho-yos, ingeniero magister con énfasis en materiales y profesional 06 del Labo-ratorio de Recubrimientos Duros en el Centro ASTIN del Sena-Valle del Cauca, “aunque hay múltiples investigacio-nes en el país, el avance industrial de los recubrimientos duros en Colombia ha sido casi nulo; sin embargo, en los últimos tres años, en especial en Antio-quia, se ha logrado reunir a la universi-dad publica y privada, junto a algunos empresarios para emprender iniciativas al respecto.
Esto ha permitido llevar a cabo desa-rrollos importantes a nivel industrial, tales como la construcción de una cá-mara PVD a nivel semi-industrial en la Universidad de Antioquia, el diseño, construcción y puesta a punto de una cámara de nitruración por plasma en la empresa Tratar S.A2, y el surgimien-to de una iniciativa (spin off) como Tecnoplasma de la Universidad Eafit”.
Actualmente, hay algunas compa-ñías interesadas en construir plantas para la producción de recubrimientos duros, específicamente en el 2009 la empresa de aceros Boehler buscaba en Cundinamarca montar esta tecno-logía, pero debido a la crisis económi-ca del momento, la fuerte inversión y el esfuerzo de formar al empresario y concientizarlo de las bondades de la tecnología, desistieron de la idea.
Amaya Hoyos, añade que países como México, Brasil y Argentina ya cuen-tan con plantas industriales de recu-brimientos, donde los profesionales son personas con formación de alto nivel con enfoque ciento por ciento aplicativo.
Colombia debería seguir el ejemplo, pues el desarrollo de este tipo de tec-nologías, no sólo va enfocado al área de recubrimientos duros, ya que el proceso PVD es uno de los pilares para hacer nanomateriales, lo cual abre la posibilidad para que industria nacio-nal, tradicionalmente importadora de tecnología, logre una transición hacia la exportación tecnológica.
Según la opinión del ingeniero, Colom-bia está preparada para soportar una planta industrial de recubrimientos por
Algunos grupos de investigación que han abordado el tema de recubrimientos duros en Colombia
Institución Nombre Líneas de InvestigaciónRelaciones
interinstitucionales industriales
Contacto
Universidad Nacional de Colombia
Grupo de Investiga-ción (AFIS)
Integridad de equipos e instala-ciones mecánicas.
Mecanismos de falla de elemen-tos mecánicos. Nuevos materia-les. Tratamientos superficiales
Universidad de los Andes
Grupo de materiales y manufactura, (CIPP-
CIPEM)
Tecnología del plasma, metalurgia de polvos y materiales cerámicos,
Metálicos magnéticos suaves, metálicos ferrosos, titanio,
cerámicos, nuevos materiales. Entre otros.
Grupo Chain Neme; Diaco; Indumil. Museo del Oro.
Universidad Ponti-ficia Bolivariana
Grupo de Investi-gación de Nuevos
Materiales (GINUMA).
Nuevos metales y composites metálicos, plásticos reforzados
con fibras naturales, mecánica de materiales avanzada, reciclado de residuos, biomateriales, nanoma-
teriales. Entre otros.
Andercol, Calzado Kondor, Cobral,
Colfibras, Firkplak, Interquim, Metro de Medellín, Pintuco, Sumiglas, Sofasa.
Universidad del Valle
Laboratorio de Recubrimientos
Duros y Aplicaciones Industriales (RDAI).
Desarrollo y fabricación de recubrimientos duros. Obtención
de recubrimientos en mono capas, bicapas y multicapas. Recubri-
mientos en piezas industriales de geometría compleja y bajo tamaño. Aplicaciones industriales de recu-brimientos duros. Biomateriales y
nanomateriales, entre otras.
Universidad del Valle, Alumina S.A., Propal S.A, Fanalca S.A.,
Sidelpa [email protected]
Universidad Industrial de Santander
Grupo de Investi-gación en Física y
Tecnología del Plasma y Corrosión (FITEK)
Fabricación y análisis de sistemas multicapas delgadas. Nitruración de metales en descargas a baja presión y a presión atmosférica.
Ecopetrol, El Sena y diferentes relaciones
con entidades nacionales e interna-
cionales.
Director: Valeriy Dougar Zhabon
Bucaramanga, Colombia
Cra 27 Calle 9 Edificio Camilo Torres
Teléfono: (57-7) 6344000 extensión 2747
Integrado por 19 reconocidos
grupos de investigación
multidisciplinaria, pertenecientes a 10 Universidades
alrededor del país.
Centro de Excelencia en Nuevos Materiales
(CENM).
El CENM hace parte de un esfuerzo
nacional apoyado por Colciencias.
Adicionalmente, recibe el apoyo internacional
de renombrados institutos mundiales de investigación de
materiales.
Materiales de recubrimientos. Dispositivos de estado solido. Materiales compuestos. Nano-
magnétismo.
El CENM y sus gru-pos en cada univer-sidad han trabajado
interdisciplinariamen-te con empresas de s diversas industrias
como electrónica, médica, aeronáutica, metalúrgica y minera,
entre otras.
Universidad del Valle
Grupo de Películas Delgadas
Crecimiento de películas de alta calidad. Recubrimientos duros.
Actualmente se man-tiene colaboración
estrecha con los gru-pos de Investigación y empresas del Valle
del Cauca.
Universidad de Antioquia
Grupo de Estado Solido (GES y el
Centro de Investiga-ción e Innovación en
Materiales
Crecimiento y caracterización de películas delgadas de óxidos de hierro, manganitas, dióxido de
titanio y recubrimientos duros por deposición física en fase vapor.
Niquelados de Colombia [email protected]
Universidad Autónoma de
Occidente
Grupo de Investiga-ción en Ciencia e In-
geniería de Materiales (GCIM).
Producción y caracterización de películas delgadas como recubri-mientos duros, sobre diferentes tipos de acero, utilizados para la fabricación de herramientas de
corte y matricería con el propósito de mejorar sus propiedades me-cánicas, químicas y tribológicas
Programa Iberoame-ricano de Ciencia y Tecnología para el
Desarrollo, CYTED. Perfilamos del Cauca
S.A.
SENA – Valle del Cauca.
Centro de Asistencia Técnica a la Industria
ASTIN. Laboratorio de recubrimientos duros.
Servicio de recubrimientos duros por PVD a nivel industrial para
piezas de hasta 27 cm de longitud por 16 cm de diámetro.
Recubrimientos base nitruros de metales de transición monocapa
y multicapa.
UMACO &CIA SAS, Tecnoplast, AGRAF S.A. Universidad del Valle, Universidad del Cauca, Universidad
Nacional sede Manizales
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PVD, ahora los profesionales del país están en la capacidad para lograr incursionar este tipo de tecnología en mercado nacional. “Sólo la preparación académica de alto nivel, junto con la concientización y un cambio de la “cultura” del empre-sario colombiano, se podrá llevar a cabo con éxito esta tarea”.
Por ahora, la industria nacional solicita el servicio de recu-brimientos duros de una manera tímida y con mucha des-confianza, lo cual es reflejo de la desinformación. El reto colombiano está en la especialización de recubrimientos de piezas no convencionales, bajo la figura de convenios o trabajo conjunto entre los investigadores y la empresa privada. Según los conocedores del tema, no es viable la producción de herramientas convencionales recubiertas, como los insertos de carburo de tungsteno (WC), brocas o escariadores recubiertos, que fácilmente se pueden im-portar a un buen precio y adquirir en almacenes de cadena y ferreterías especializadas; el enfoque nacional debería apuntarle a la prestación de servicios de recubrimiento para piezas especiales.
Citas
1) Para más información sobre el grupo de investigación CIPP – CIPEM de la Universidad de los Andes, consultar el artículo: “Grupo de Materiales y Manufactura CIPP –CIPEM: Formación, Investigación y Desarrollo”, publicado en la edición de Metal Actual, número 17. Agosto – octubre de 2010. Páginas 6 a la 12.
2) Para más información sobre el proceso plasma implementado por la compañía Tratar S.A., consultar el artículo: “Nitruración por Plasma vs Nitrocarburación Líquida” publicado en la edición de Metal Actual, número 17. Agosto – octubre de 2010. Pág inas 26 a la 32.
Fuentes
• María Elena Gómez de Prieto. Doctora en ciencia física, de la Universi-dad del Valle, magister scientiae, especialidad en física de Universidad Nacional de Colombia. [email protected]
• Jaime Osorio. Doctor en Física, coordinador del Grupo de Estado Solido (GES) del Instituto de Física De la Universidad de Antioquia. [email protected]
• César Amaya. Ingeniero magister con énfasis en materiales, estudiante de doctorado y profesional 06 del Laboratorio de Recubrimientos Duros en el Centro ASTIN del Sena-Valle del Cauca. [email protected]
Fresas recubiertas con TiN.
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