¿Qué es la deposición de película dura?

Base de la deposición de película dura

La deposición de película dura se refiere al proceso de depositar recubrimientos delgados y duros sobre un material de sustrato para mejorar las propiedades de la superficie, como la resistencia al desgaste, la protección contra la corrosión o el rendimiento de la barrera térmica. Los recubrimientos, típicamente de 1 a 10 micrones de espesor, se crean condensando elementos y compuestos de aleación vaporizados sobre la superficie del sustrato. Esta técnica de ingeniería de superficies permite a los fabricantes mejorar la dureza, la lubricidad, la resistencia a la oxidación u otras características de los materiales base sin afectar sus propiedades a granel.

Propósitos de la deposición de película dura

La deposición de película dura se utiliza para mejorar las propiedades superficiales de los materiales de varias formas:

Resistencia al desgaste

Uno de los principales objetivos de la deposición de película dura es mejorar la resistencia al desgaste de los componentes. Los recubrimientos duros como el nitruro de titanio (TiN) y el nitruro de cromo (CrN) pueden minimizar el desgaste abrasivo, el desgaste por adherencia y la fatiga superficial en piezas como herramientas de corte, componentes del motor y cojinetes. El revestimiento duro evita la rápida eliminación del material durante el contacto con otras superficies.

Protección contra la corrosión

La aplicación de recubrimientos como TiN, nitruro de aluminio y titanio (AlTiN) y carbono amorfo tipo diamante (DLC) crea una barrera que protege el sustrato subyacente del daño por corrosión. Esto es especialmente útil para piezas expuestas a altas temperaturas, entornos oxidativos y medios corrosivos como ácidos o agua salada.

Barrera térmica

Algunos materiales como la cerámica y las aleaciones metálicas pueden aislar los componentes de las altas temperaturas. Depositar películas de óxido de circonio, óxido de cromo o disiliciuro de molibdeno en los álabes de las turbinas les permite operar a temperaturas más altas al reducir la transferencia de calor.

Acabados decorativos

Los recubrimientos duros como el nitruro de titanio y el nitruro de circonio producen atractivos acabados de color dorado, azul o negro en las superficies. Esto permite que las joyas, los accesorios de moda y los productos de consumo tengan apariencias y efectos decorativos únicos.

Propiedades Eléctricas

Los recubrimientos conductores como el oro, el platino y los carburos metálicos pueden modificar propiedades eléctricas como la conductividad y la resistencia. Esto permite un control preciso del flujo de corriente eléctrica en componentes como sensores y dispositivos semiconductores.

Tipos de recubrimientos duros

Hay varias categorías de recubrimientos duros que se pueden aplicar a través de procesos de deposición de vapor:

• Nitruros de metales de transición – Los compuestos de nitruro cerámico muy duro de metales como el titanio, el cromo y el zirconio se usan comúnmente. El nitruro de titanio (TiN) proporciona un revestimiento de color dorado con una excelente resistencia a la corrosión y una dureza de hasta 2000 HV. El nitruro de cromo (CrN) tiene un aspecto grisáceo y mantiene las propiedades tribológicas a altas temperaturas.
• Carburos de metales de transición – Los carburos metálicos como el carburo de tungsteno (WC), el carburo de titanio (TiC) y el carburo de tantalio (TaC) producen recubrimientos extremadamente duros y duraderos. Ofrecen una resistencia a la abrasión superior en comparación con las películas de nitruro. Sin embargo, las películas de carburo pueden reaccionar con sustratos de acero a altas temperaturas.
• Recubrimientos cerámicos – Los materiales cerámicos no metálicos, como la alúmina (Al2O3), la zirconia (ZrO2) y el óxido de cromo (Cr2O3), pueden aislar contra el calor y la corrosión. El carburo de silicio (SiC) tiene baja densidad, alta dureza y resistencia.
• Carbono tipo diamante – Los recubrimientos de carbono tipo diamante (DLC) contienen una mezcla de átomos de carbono hibridados sp3 y sp2, lo que proporciona propiedades similares a las del diamante. Las películas DLC amorfas ofrecen una dureza excepcional, baja fricción e inercia química.
• Recubrimientos multicapa – La combinación de capas de diferentes materiales como TiN y TiAlN produce recubrimientos que integran los beneficios de cada sustancia. Las películas multicapa tienden a tener una dureza, tenacidad a la fractura y resistencia a la oxidación mejoradas en comparación con las capas individuales.

Materiales para deposición de película dura

Se puede recubrir una amplia gama de materiales de sustrato con películas duras para mejorar sus propiedades superficiales y su rendimiento:

• Acero– El acero es uno de los sustratos más comunes recubiertos con películas duras. Los recubrimientos como TiN, TiCN, CrN y DLC se aplican a componentes de acero como herramientas de corte, moldes, piezas de motores y cojinetes para aumentar la dureza, la resistencia al desgaste y la protección contra la corrosión.
• Aluminio– Las aleaciones de aluminio liviano a menudo se recubren para mejorar la resistencia al desgaste y la abrasión. Los recubrimientos anodizados duros y las películas cerámicas, como la alúmina y la sílice, brindan protección a los componentes aeroespaciales y automotrices de aluminio.
• Titanio– La dureza, la adhesión y la resistencia a la corrosión del titanio se pueden mejorar mediante recubrimientos como TiN, nitruro de cromo y carbono similar al diamante dopado con metal. Estas películas permiten que los implantes médicos de titanio y las piezas aeroespaciales soporten mejor los impactos y la corrosión.
• Carburos– Los sustratos de carburo de silicio, carburo de tungsteno y carburo de boro están recubiertos con películas delgadas para optimizar aún más su dureza y resistencia térmica/oxidación para aplicaciones de herramientas. A menudo se aplican películas multicapa.
• Plásticos y Polímeros– Los recubrimientos duros como DLC, nitruro de cromo y óxido de silicio depositados sobre los componentes de plástico mejoran la dureza de la superficie y la resistencia a los rayones al mismo tiempo que conservan las propiedades de volumen, como la flexibilidad y la resistencia al impacto.
• Cerámicas– La resistencia al desgaste y la corrosión de las piezas cerámicas hechas de alúmina, zirconia, carburo de silicio y nitruro de silicio se puede mejorar mediante la deposición de una película delgada de nitruros, óxidos y carburos metálicos.

Equipos y consumibles

La deposición de película dura se basa en equipos de tecnología de vacío avanzada para depositar recubrimientos de solo unas pocas micras de espesor con un control preciso.

• Cámaras de vacío– Los recubrimientos se aplican en cámaras de vacío que utilizan bombas para lograr altos niveles de vacío de hasta 10-6 torr. Esto permite que los materiales de recubrimiento vaporizados lleguen al sustrato sin reaccionar con los gases. Las cámaras están construidas de acero inoxidable o vidrio.
• Pistolas de pulverización– Las pistolas de pulverización catódica de magnetrón expulsan átomos del material de recubrimiento objetivo mediante un campo eléctrico. Luego, los átomos se condensan como una película delgada sobre el sustrato. Potentes imanes confinan la descarga de plasma en la superficie del objetivo de pulverización catódica.
• Fuentes de evaporación– Las fuentes como la vaporización por haz de electrones, térmica o por arco utilizan temperaturas muy altas para evaporar el material de recubrimiento, lo que permite que se condense en los sustratos.
• Suministro de gas– Los gases reactivos como el nitrógeno o el metano se introducen en la cámara para reaccionar con el material de recubrimiento pulverizado o evaporado para formar compuestos como nitruros o carburos.
• Calentadores de sustrato y polarización– Los elementos calefactores y el voltaje de polarización del sustrato mejoran la adhesión y modifican la estructura de la película mejorando la movilidad superficial de los átomos depositados.
• Materiales objetivo– Se requieren materiales objetivo de alta pureza para la fuente de deposición del recubrimiento. Los materiales comunes incluyen titanio, cromo, aluminio, circonio, tungsteno, carbono y silicio.
• Gases de proceso– Se utilizan gases como argón, nitrógeno y acetileno para generar el plasma o reaccionar con el material de recubrimiento. El suministro de gases de proceso de alta pureza garantiza una composición adecuada de la película.

Los pasos del proceso

La aplicación de recubrimientos duros mediante deposición de vapor implica un procesamiento cuidadoso para producir recubrimientos con las propiedades deseadas.

1. Preparación de la superficie– La superficie del sustrato debe limpiarse a fondo para eliminar aceites, óxidos y contaminantes que pueden reducir la adherencia del revestimiento. Comúnmente se utilizan limpieza con chorro de arena, limpieza con solventes y grabado con ácido.
2. Montaje– Los componentes se fijan o montan en soportes especiales que permiten recubrir uniformemente todas las superficies. Los cilindros giratorios ayudan a asegurar una cobertura uniforme.
3. Calefacción– El sustrato a menudo se precalienta a 150-500 °C antes de la deposición para aumentar la movilidad de la superficie de los átomos del revestimiento y mejorar la adhesión.
4. Declaración– El material de recubrimiento se vaporiza mediante pulverización catódica, evaporación o vaporización por arco, lo que permite que una película delgada de solo unas micras de espesor se condense sobre el sustrato. Esto ocurre en un entorno de alto vacío.
5. Bombardeo de iones– El bombardeo de iones energéticos durante la deposición puede mejorar la adhesión y la densidad al mejorar la difusión superficial de los átomos del recubrimiento.
6. Enfriarse– Después de la deposición, los componentes se enfrían en una atmósfera controlada para evitar la oxidación y permitir que se relajen las tensiones residuales.
7. Control de calidad– Las piezas recubiertas se someten a pruebas para verificar el grosor, la adherencia, la dureza y el rendimiento del recubrimiento mediante microscopía, pruebas de rayado, pruebas de desgaste/corrosión y otros análisis.

La preparación cuidadosa de la superficie, el control del proceso de deposición y las pruebas posteriores al recubrimiento garantizan una calidad y propiedades de recubrimiento óptimas.

Aplicaciones industriales

Los recubrimientos protectores duros se utilizan ampliamente en las industrias de fabricación para mejorar el rendimiento y la durabilidad de los componentes.

• Herramientas de corte– Recubrimientos como nitruro de titanio y aluminio (TiAlN), carbonitruro de titanio (TiCN) y carbono similar al diamante (DLC) aplicados a taladros, fresadoras, sierras y otras herramientas de corte aumentan significativamente la dureza y la resistencia al desgaste. Esto permite mayores velocidades de corte y una mayor vida útil.
• Moldes y Matrices– Los recubrimientos de nitruro, carburo y DLC protegen los moldes de inyección de plástico y las matrices de formación de metales del desgaste abrasivo y la corrosión, lo que prolonga su vida útil. Los recubrimientos comunes incluyen CrN, TiAlN y carburo de tungsteno-carbono (WC/C).
• Componentes de petróleo y gas– Las brocas de fondo de pozo, las válvulas, las bombas y otras piezas de petróleo y gas están recubiertas con películas extremadamente duras de TiN, TiAlN o diamante para resistir el desgaste abrasivo de la perforación, la producción de arena y la corrosión de las salmueras calientes.
• Piezas aeroespaciales y automotrices– Los componentes del motor, las superficies del fuselaje, los cojinetes y otras piezas están recubiertas con películas protectoras que protegen contra el desgaste, la fatiga y la oxidación a alta temperatura.
• Dispositivos médicos– Las superficies de herramientas quirúrgicas, implantes y equipos médicos están recubiertas con películas biocompatibles como DLC, TiN y TiAlN para mejorar la dureza, el rendimiento frente al desgaste y la resistencia a la corrosión.
• Recubrimientos decorativos– Los revestimientos duros decorativos coloreados como TiN, ZrN, CrN y AlTiN se aplican a joyas, relojes, gafas de sol y otros artículos de consumo.

Los recubrimientos duros mejoran la durabilidad y el rendimiento en casi todos los sectores de fabricación.

Aplicaciones en Joyería

Además de mejorar la durabilidad, los recubrimientos duros brindan acabados atractivos para joyería y accesorios de moda.

• Recubrimientos protectores para relojes– Las cajas y las correas de los relojes de lujo suelen estar recubiertas con películas delgadas de nitruro de titanio (TiN), carbono similar al diamante (DLC) o nitruro de cromo (CrN) para aumentar la resistencia a los rayones. Esto protege los costosos componentes del reloj de daños durante el uso diario.
• Joyería de moda de colores– Los recubrimientos depositados por vapor de TiN, nitruro de zirconio (ZrN) y nitruro de cromo brindan llamativos acabados dorado, azul, negro y gris en piezas de joyería de moda económicas hechas de acero inoxidable o latón.
• Configuración mejorada de piedras preciosas– La aplicación de una fina capa de rodio o rutenio sobre monturas de joyería de oro blanco o plata aumenta la dureza y reduce el desgaste para asegurar mejor las piedras preciosas y mantener una apariencia como nueva incluso después de años de uso regular.
• Dureza superficial mejorada– DLC y revestimientos cerámicos como óxido de titanio o dióxido de silicio se pueden aplicar a las piezas de joyería para mejorar la resistencia a los rayones, la abrasión y el deslustre de la superficie. Esto mantiene un aspecto lustroso y como nuevo con el tiempo.
• Recubrimientos decorativos en tecnología usable– Los revestimientos decorativos duros agregan un atractivo estético a los dispositivos portátiles, incluidos los relojes inteligentes, los rastreadores de actividad física y los auriculares VR/AR, lo que permite que las marcas se diferencien según la apariencia.

Los revestimientos duros duraderos y atractivos mejoran tanto la longevidad como el atractivo visual de las joyas, los relojes y los accesorios de moda.

Comparación con otros procesos de endurecimiento de superficies

La deposición de película dura difiere de las técnicas tradicionales de endurecimiento superficial en varios aspectos:

Carburación y Nitruración

La carburación y la nitruración difunden carbono o nitrógeno en la superficie de aleaciones como el acero para crear compuestos duros. La dureza solo se extiende de 0.1 a 0.5 mm de profundidad. Las películas pueden recubrir cualquier material y lograr una dureza > 2 veces mayor que la de la nitruración.

Endurecimiento por inducción y llama

Con el endurecimiento por inducción o llama, un ciclo térmico endurece selectivamente solo la capa superficial de piezas como engranajes y cojinetes. La deposición de película permite recubrimientos personalizados en todas las superficies.

Tecnologías para la deposición de películas duras

Hay varias tecnologías de deposición de vapor que se utilizan para aplicar recubrimientos duros:

Deposición por pulverización catódica

En la deposición por pulverización catódica, el bombardeo energético de iones expulsa átomos de un objetivo sólido, lo que permite que los átomos se condensen como una película delgada sobre el sustrato. La pulverización catódica con magnetrón se usa comúnmente para depositar materiales como nitruro de titanio y nitruro de cromo.

Deposición por arco catódico

Un arco eléctrico vaporiza el material de recubrimiento de un objetivo de cátodo, ionizando una porción significativa del flujo. Esto permite la deposición de recubrimientos cerámicos muy duros como el nitruro de titanio y aluminio a temperaturas relativamente bajas.

Deposición láser pulsada

Un láser pulsado de alta potencia elimina el material de un objetivo para crear una columna de plasma que deposita el recubrimiento sobre el sustrato en una cámara de vacío. Este proceso permite un buen control del espesor y la composición de la película.

Deposición de haz de electrones

Un evaporador de haz de electrones bombardea el material de recubrimiento, calentándolo hasta el punto de vaporización para la deposición de una película delgada. Son posibles altas tasas de deposición, pero este proceso puede ser difícil de controlar.

Deposición física de vapor (PVD)

Las técnicas de PVD, como la pulverización catódica y la evaporación, vaporizan físicamente los materiales de recubrimiento para depositar películas delgadas. Los métodos comunes de PVD incluyen la pulverización catódica con magnetrón, la evaporación térmica y la evaporación con haz de electrones.

Deposición de vapor químico (CVD)

CVD utiliza reacciones químicas entre gases precursores para depositar películas sobre sustratos calentados. CVD de baja presión y CVD mejorado con plasma permiten recubrimientos en geometrías complejas.

Cada tecnología tiene sus propias ventajas en términos de control, recubrimientos posibles, tasa de deposición y costo. PVD y CVD juegan papeles críticos en las aplicaciones de deposición de películas duras.